本文關(guān)鍵詞：親疏水性對池沸騰傳熱影響的格子Boltzmann方法研究

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【摘要】：微尺度沸騰傳熱機(jī)理及其強(qiáng)化技術(shù)的研究已經(jīng)成為目前國際傳熱界關(guān)注的熱點。汽-液-固三相接觸線區(qū)域的表面潤濕特性(即親疏水性)是強(qiáng)化微細(xì)尺度傳熱的關(guān)鍵。然而,采用實驗方法研究親疏水性對沸騰傳熱的影響時難以避免粗糙度等的干擾,使得實驗結(jié)論受到質(zhì)疑�，F(xiàn)存的宏觀數(shù)值模型則存在不能研究沸騰汽泡成核過程等缺陷。針對這些問題,本文提出一個基于介觀格子Boltzmann方法的汽液相變數(shù)值模型并采用該模型研究親疏水性對池沸騰傳熱的影響。具體的研究內(nèi)容包括:1.改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型研究。在Shan-Chen模型的基礎(chǔ)上,提出一個新的粒子間作用力形式并結(jié)合精確差分法引入作用力,構(gòu)建了一個改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型。這一模型可以顯著改善數(shù)值精度和數(shù)值穩(wěn)定性,而且能避免數(shù)值結(jié)果對松弛時間的非物理依賴。為了驗證模型的可用性,采用該模型研究了液滴在具有潤濕梯度的表面上的運(yùn)動、合并以及分裂行為,探討了液滴在潤濕梯度驅(qū)動下的運(yùn)動機(jī)理。2.基于格子Boltzmann方法的汽液相變模型研究。在本文提出的改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型基礎(chǔ)上,引入能量方程模型,推導(dǎo)了能量方程源項表達(dá)式,構(gòu)建了一個基于格子Boltzmann方法的汽液相變數(shù)值模型。該汽液相變模型不需要精確追蹤界面,汽液相變通過由真實氣體狀態(tài)方程所決定的熱力學(xué)關(guān)系(即壓力、溫度和密度的關(guān)系)實現(xiàn)。作為一種真正意義上的汽液相變直接數(shù)值模擬方法,該模型在計算沸騰問題時不需要初始化存在小汽泡,可以模擬包含成核過程在內(nèi)的整個汽液相變過程。應(yīng)用該模型,研究了微加熱器(點熱源)上的池沸騰傳熱過程。數(shù)值結(jié)果表明微加熱器可能呈現(xiàn)出與宏觀加熱面不同的池沸騰特性。首次通過數(shù)值模擬得到了成核時間、成核溫度等沸騰成核過程中的重要信息,并研究了親疏水性對微加熱器上池沸騰過程的汽泡成核時間、成核溫度等的影響。3.純親水/疏水表面上潤濕性對池沸騰傳熱的影響研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型研究了光滑的純親水/疏水表面上的池沸騰傳熱。模擬中采用有限厚度的加熱面,即考慮了加熱面中的導(dǎo)熱過程。數(shù)值結(jié)果表明,飽和池沸騰中汽泡脫離直徑隨接觸角和過熱度的增加而增加。親疏水加熱面存在明顯不同的汽泡脫離形態(tài):在親水表面上整個汽泡脫離加熱面而疏水表面上汽泡脫離時會留下一個小汽泡作為下一個汽泡周期的成核點。因而,親水表面上的汽泡周期中存在等待階段(waiting period)而疏水表面上的汽泡周期中則不存在等待階段。疏水表面上的這一汽泡脫離形態(tài)有利于提升沸騰傳熱量。數(shù)值結(jié)果還表明親疏水表面存在不同的沸騰傳熱機(jī)理:親水表面上整個汽泡下方存在一個微液層,微液層的蒸發(fā)(microlayer evaporation)是重要的傳熱機(jī)理;疏水表面上汽泡下方不存在微液層(隨著壁面潤濕性的減弱,也就是隨著接觸角的增加,微液層會逐漸消失),三相線區(qū)域具有最低的局部溫度和最高的局部熱流密度,汽-液-固三相接觸線區(qū)域的傳熱(three-phase contact line heat transfer)是重要的傳熱機(jī)理。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型,首次通過數(shù)值模擬得到了親疏水加熱面上從自然對流區(qū)經(jīng)核態(tài)沸騰區(qū)、過渡沸騰區(qū)直至膜態(tài)沸騰區(qū)的沸騰傳熱曲線,捕捉到了沸騰曲線上的核態(tài)沸騰起始點(ONB)、臨界熱流密度點(CHF)和Leidenfrost點。4.親疏水混合表面對池沸騰傳熱的強(qiáng)化研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型研究了光滑的親疏水混合表面上的池沸騰傳熱。采用數(shù)值模擬,可以排除粗糙度的干擾而單獨研究親疏水性的作用,揭示親疏水混合表面對池沸騰傳熱的強(qiáng)化機(jī)理。模擬結(jié)果表明,親疏水混合表面上的疏水區(qū)作為汽泡成核點,可以有效促進(jìn)汽泡成核并提高沸騰傳熱量。親水區(qū)則可以限制疏水點上汽泡基圓直徑(或三相接觸線)在加熱面上的鋪展,從而有望提高臨界熱流密度。在親疏水混合表面上,存在汽泡成核的疏水區(qū)域的局部熱流密度高于不存在汽泡成核的親水區(qū)域的局部熱流密度。另外,存在一個使得沸騰傳熱量最高的最優(yōu)疏水點間距,這一間距和成核點之間的相互作用有關(guān)。進(jìn)一步增加疏水點間距將減小汽泡脫離頻率,進(jìn)一步減小疏水點間距會導(dǎo)致相鄰成核點之間的抑制作用,從而都會降低池沸騰傳熱量。本文的工作為汽液相變數(shù)值模擬開拓了新的研究思路,闡明了加熱面潤濕特性(親疏水性)對池沸騰傳熱的影響,揭示了親疏水混合表面的沸騰傳熱強(qiáng)化機(jī)理,為通過改變加熱面潤濕特性強(qiáng)化沸騰傳熱提供了重要的理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：親疏水性 格子Boltzmann方法 池沸騰傳熱 汽泡 接觸角
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-32
• 1.1 選題背景及意義15-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述17-30
• 1.2.1 親疏水性對池沸騰傳熱的影響17-22
• 1.2.2 親疏水混合表面對池沸騰傳熱的強(qiáng)化22-25
• 1.2.3 沸騰傳熱的數(shù)值模型25-27
• 1.2.4 格子Boltzmann方法27-30
• 1.3 本論文的主要工作30-31
• 1.4 本章小結(jié)31-32
• 第二章 改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型32-59
• 2.1 數(shù)值模型32-38
• 2.1.1 格子Boltzmann方法(LBM)32-34
• 2.1.2 粒子間作用力形式34-36
• 2.1.3 引入作用力的方法36-38
• 2.2 模型驗證38-47
• 2.2.1 非理想氣體狀態(tài)方程p-v曲線的Maxwell construction理論40-41
• 2.2.2 模擬結(jié)果與Maxwell construction理論解的對比41-47
• 2.3 液滴運(yùn)動的數(shù)值研究47-58
• 2.3.1 液滴在潤濕梯度驅(qū)動下的移動和變形48-53
• 2.3.2 液滴在潤濕梯度驅(qū)動下的合并過程53-56
• 2.3.3 液滴在潤濕梯度驅(qū)動下的分裂過程56-58
• 2.4 小結(jié)58-59
• 第三章 格子Boltzmann方法汽液相變模型59-76
• 3.1 格子Boltzmann方法汽液相變模型59-62
• 3.1.1 改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型59-60
• 3.1.2 能量方程模型以及源項的推導(dǎo)60-62
• 3.1.3 格子Boltzmann方法汽液相變模型的驗證62
• 3.2 微加熱器(點熱源)上的池沸騰傳熱數(shù)值研究62-74
• 3.2.1 計算設(shè)置63-64
• 3.2.2 數(shù)值求解程序驗證64-65
• 3.2.3 微加熱器表面汽泡脫離直徑和汽泡脫離周期65-69
• 3.2.4 微加熱器(點熱源)表面汽泡的生長與脫離69-70
• 3.2.5 微加熱器(點熱源)表面汽泡生長過程的溫度場與流場70-72
• 3.2.6 定熱流工況下微加熱器(點熱源)表面汽泡成核時間與成核溫度72-74
• 3.3 本章小結(jié)74-76
• 第四章 純親水/疏水表面的池沸騰傳熱研究76-93
• 4.1 基于格子Boltzmann方法的汽液相變模型76-77
• 4.2 光滑表面上親疏水性對沸騰傳熱的影響77-91
• 4.2.1 計算設(shè)置77-78
• 4.2.2 親疏水加熱面上的汽泡生長和脫離78-80
• 4.2.3 親疏水加熱面上的汽泡脫離直徑和脫離頻率80-82
• 4.2.4 親疏水加熱面上溫度場、局部溫度與局部熱流密度分布82-85
• 4.2.5 親疏水加熱面中心點溫度與總熱流密度隨時間的變化85-87
• 4.2.6 親疏水加熱面上汽泡內(nèi)部和周圍的流場87-88
• 4.2.7 成核點密度88-89
• 4.2.8 親疏水加熱面上的沸騰曲線89-91
• 4.3 小結(jié)91-93
• 第五章 親疏水混合表面的池沸騰傳熱研究93-108
• 5.1 計算模型93-94
• 5.2 光滑的親疏水混合表面上的池沸騰傳熱94-106
• 5.2.1 計算設(shè)置94-95
• 5.2.2 兩個親疏水混合表面上的池沸騰傳熱強(qiáng)化研究95-98
• 5.2.3 親疏水混合表面池沸騰的溫度場、流場和熱流密度98-103
• 5.2.4 疏水點尺寸和疏水點之間的間距的影響103-106
• 5.3 本章小結(jié)106-108
• 第六章 總結(jié)與展望108-114
• 6.1 研究內(nèi)容和結(jié)論108-112
• 6.1.1 改進(jìn)的格子Boltzmann方法兩相流模型108-109
• 6.1.2 基于格子Boltzmann方法的汽液相變模型109-110
• 6.1.3 光滑的純親水/疏水表面上的池沸騰傳熱研究110-111
• 6.1.4 光滑的親疏水混合表面對池沸騰傳熱的強(qiáng)化111-112
• 6.2 研究的創(chuàng)新性112-113
• 6.3 未來工作展望113-114
• 附錄114-121
• A 任意狀態(tài)方程的汽化潛熱的推導(dǎo)114-117
• B 定壁溫/定熱流邊界條件的實施117-119
• C 定壓邊界條件的實施119-121
• 參考文獻(xiàn)121-135
• 符號與標(biāo)記135-139
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文139-141
• 致謝141-142

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 ;Simulation of phase transition process using lattice Boltzmann method[J];Chinese Science Bulletin;2009年24期

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本文編號：885996