微重力下沸騰

1、1微重力下的沸騰傳熱微重力下的沸騰傳熱報(bào)告人：姚藝彬搭檔： 白昊2內(nèi)容概要： 1 微重力下氣泡的運(yùn)動(dòng)變化和傳熱性能 2 微翹片的芯片和光滑芯片的沸騰性能比較 3 氣泡的尺寸和發(fā)泡頻率3概念：（1）過(guò)熱度： 過(guò)熱度指的是加熱壁溫高于對(duì)應(yīng)壓力下的飽和溫度的程度。 T=T w T sat壓力升高，液體的飽和溫度也是升高的。當(dāng)加熱壁溫不變，提高壓力時(shí)，則液體的過(guò)熱度降低。4（2）過(guò)冷度： 物質(zhì)結(jié)晶時(shí)的溫度稱為理論結(jié)晶溫度，但是實(shí)際結(jié)晶時(shí)，實(shí)際結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度的，這種現(xiàn)象成為過(guò)冷現(xiàn)象。過(guò)冷度 T sub=T iTP5（3）沸騰臨界點(diǎn)CHF : 當(dāng)溫度達(dá)到由泡核沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰所對(duì)應(yīng)的值T時(shí)

2、，稱為沸騰臨界點(diǎn)。 這時(shí)加熱表面上的氣泡很多，氣泡連成一片，覆蓋了部分加熱面。由于氣膜的傳熱系數(shù)低，加熱面的溫度會(huì)很快升高。6（4）失重71.1 微重力簡(jiǎn)介：（1）微重力的研究背景： 常重力下的沸騰傳熱研究已經(jīng)很成熟了，對(duì)于微重力下的沸騰傳熱卻在最近幾年剛開(kāi)始的，所以對(duì)它的沸騰了解卻不足。（2）沸騰態(tài)的選擇： 與膜態(tài)沸騰相比，核態(tài)沸騰傳熱系數(shù)高，傳熱穩(wěn)定，多用在實(shí)際應(yīng)用中。 1 微重力下氣泡的運(yùn)動(dòng)變化和傳熱性能微重力下氣泡的運(yùn)動(dòng)變化和傳熱性能8（4）微重力研究方法：利用中科院國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室提供的百米落塔平臺(tái)，進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)液體：FC-72（氟化物）實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)：時(shí)間短34s，過(guò)程控制難，費(fèi)用高（

3、3）微重力研究的意義：未來(lái)太空的應(yīng)用。91.2 沸騰機(jī)理和氣泡受力分析：1.2.1 常重力下 （1）沸騰機(jī)理： 首先加熱液體的過(guò)熱是產(chǎn)生小氣泡的必要條件，即液體的溫度高于氣泡所對(duì)應(yīng)的飽和溫度。 二是加熱界面要存在氣化核心，一般認(rèn)為粗糙表面的消息凹縫易于成為氣化核心。 三是液體的導(dǎo)熱系數(shù)、密度越大傳熱系數(shù)越大， 而粘度 、表面張力越大傳熱系數(shù)卻越小。 提高沸騰壓力相當(dāng)于提高液體的飽和溫度，使液體的表面張力和粘度均下降，有利于氣泡的生成和脫離。10（2）氣泡在常重力下的受力分析：驅(qū)動(dòng)力：F浮力：浮力，最主要的動(dòng)力， 所以氣泡可以不斷地離開(kāi)加熱表面。 F慣性力：較小 F壓力差：影響不大。阻力： F重

4、力：重力很小不考慮。 F粘性阻力：主要的阻力之一 F表面張力：主要的阻力之一 F Marangoni 力：表面張力梯度所引起的力，不考慮。 在常重力下主要考慮F浮力、 F粘性阻力、 F表面張力111.2.2 微重力下（1）沸騰機(jī)理：微重力沸騰所需的條件和常重力差不多一樣，但沸騰現(xiàn)象和機(jī)理卻有很大的差別，因?yàn)闅馀菔芰Πl(fā)生很大的變化。（2）氣泡在微重力下的受力分析：驅(qū)動(dòng)力：F浮力：浮力變得很小可忽略，所以氣泡不易離 開(kāi)加熱表面。 F慣性力：可以認(rèn)為和常重力一樣不變 F壓力差：可以認(rèn)為和常重力一樣不變12阻力： F重力：重力很小可忽略 F粘性阻力：可以認(rèn)為和常重力一樣不變 F表面張力：可以認(rèn)為和常重

5、力一樣不變 F Marangoni 力：在微重力時(shí)是影響很大的阻力 我們主要考慮 F浮力 、F Marangoni 力 13實(shí)驗(yàn)裝置圖1.3 實(shí)驗(yàn)部分：14試驗(yàn)設(shè)備：電源：給液體加熱，是液體沸騰高速攝影機(jī)：把沸騰時(shí)，氣泡的運(yùn)動(dòng)情況拍下來(lái)光源：拍照的時(shí)候，可以獲得較高的清晰度液池：裝液體的裝置溫度傳感器：測(cè)量液體和加熱芯片的溫度數(shù)據(jù)采集器：顯示溫度、加熱電流橡膠袋：使整個(gè)過(guò)程，壓力維持不變芯片：用來(lái)加熱液體的界面體15編號(hào)實(shí)驗(yàn)條件表格116表格1說(shuō)明： SI0.20、SI0.24、SI0.30、SI0.36、SI0.40是實(shí)驗(yàn)編號(hào)； P 是實(shí)驗(yàn)壓力差不多都維持在一個(gè)大氣壓下； T l 是實(shí)驗(yàn)液體

6、的初始溫度，差不多都相等，為15； T sub 是過(guò)冷度，都維持在4041 ； I 是電源所提供的電流，分為0.20A、0.24A、0.30A、0.36A、0.40A，這是實(shí)驗(yàn)的對(duì)比參數(shù)。 我們列舉電流I分別為0.20、0.36、0.40A這三種情況。 I=0.20 為低熱流、I=0.36 為中熱流、I=0.40 為高熱流。17低熱流光滑的芯片18 進(jìn)入微重力前：氣泡不斷地生長(zhǎng)，脫落，而且維持穩(wěn)定的核態(tài)沸騰狀態(tài)（a）。進(jìn)入微重力后：氣泡尺寸尺寸變大，而且沒(méi)有氣泡從表面脫離的現(xiàn)象（c）。（d）氣泡之間發(fā)生合并形成相對(duì)大的球形氣泡。（e）從加熱面中心游離到邊緣。 圖片上的時(shí)間負(fù)的，表示還沒(méi)有進(jìn)入微

7、重力狀態(tài)，時(shí)間正的，表示進(jìn)入微重力。（a）（b）（c）（d）（e）是不同時(shí)間氣泡的運(yùn)動(dòng)情況。19電壓加速度20微重力前： 壁溫T w 和加熱電壓U heating保持不變；微重力后：壁溫T w 和加熱電壓U heating保持不變； 加熱表面壁溫相比常重力條件保持不變，而且不隨氣泡行為的改變而改變，表明穩(wěn)態(tài)池沸騰現(xiàn)象在微重力條件下可以獲得。21中熱流光滑的芯片22微重力前：（a）氣泡更多，運(yùn)動(dòng)更激烈微重力后：（b） （c）相鄰氣泡合并形成更大的 合并氣泡， 并不斷捕獲它周圍的零星小氣泡。（d）合并氣泡被周圍氣泡從加熱表面擠壓，由于表面張力作用形狀發(fā)生變化。（e）合并氣泡由于其下面的微層蒸發(fā)和由

8、合并引起的表面劇烈振蕩作用，使得合并氣泡從加熱表面脫離。2324 隨著時(shí)間的增加，壁溫在逐漸升高直到達(dá)到最大峰值，然后逐漸降低，并同時(shí)調(diào)整曲線達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，最后在微重力條件下實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)核態(tài)池沸騰。 加熱電壓不變。25高熱流光滑的芯片26微重力前：（a）氣泡很多，運(yùn)動(dòng)很激烈。微重力后：（b）氣泡合并大氣泡（c）合并氣泡保持半球形，是因?yàn)闅馀蓓敳康睦淠偷撞啃馀莸暮喜⑦_(dá)成平衡。（d）氣泡的形狀變成橢球型而且界面變得更為光滑，是因?yàn)橐后w的過(guò)冷度較高導(dǎo)致氣泡頂部的冷凝加強(qiáng)。（e）氣泡不離開(kāi)界面。2728（a）（b）T w和加熱電壓U heating不變。（c）（d）（e）由于生成的氣泡沒(méi)有離開(kāi)加熱

9、壁面，使得傳熱系數(shù)降低，所以壁溫T w和U heating快速升高。 表明沸騰換熱惡化，可能提前發(fā)生臨界熱流或轉(zhuǎn)變?yōu)槟B(tài)沸騰。29 2 微翹片微翹片的芯片和的芯片和光滑光滑芯片芯片 的沸騰性能比較的沸騰性能比較 實(shí)驗(yàn)條件：除了芯片表面的結(jié)構(gòu)不一樣，其它條件都一樣。30表面光滑的芯片 電流 I=0.4A 過(guò)冷度T sub=41 高熱流31微重力前：（a）氣泡由于浮力，不斷地離開(kāi)加熱表面。微重力后：（b）氣泡合并大的氣泡，由于較弱的浮力，氣泡可以離開(kāi)加熱界面。（c）氣泡變大，變成球形并且覆蓋加熱界面。（d）氣泡保持球形，覆蓋加熱界面，不離開(kāi)加熱界面，是因?yàn)闅馀蓓敳康睦淠偷撞啃馀莸暮喜⑦_(dá)成平衡。

10、3233（a）（b）：壁溫T w和加熱電壓U heating保持不變。（c）（d）:壁溫T w和加熱電壓U heating都急劇增大。34微翹片的粗糙芯片 電流 I=0.5A 過(guò)冷度T sub=41 高熱流35微重力前：（a）氣泡更多，更激烈，因?yàn)槲⒙N片的表面有更多的氣化核心，有利于傳熱。微重力后：（b）氣泡不斷地捕捉周圍的小氣泡，不斷變大，并離開(kāi)加熱表面。（c）氣泡不斷地變大，變成球形，覆蓋在加熱表面。（d）大氣泡離開(kāi)加熱表面，是因?yàn)橛蓺馀莺驮跉馀菹旅嫖右后w所接觸的界面而產(chǎn)生的毛細(xì)力，使得其它液體可以進(jìn)入到加熱界面接觸。36 氣泡和在氣泡下面微層液體所接觸的界面而產(chǎn)生的毛細(xì)力，使得其它液體可以進(jìn)入到加熱界面接觸。3738（a）（b）（c）（d）壁溫T w和加熱電壓U heating都保持不變可以保持穩(wěn)定核態(tài)沸騰，傳熱系數(shù)和傳熱性能都比光滑芯片的好。所以我們可以選擇微翹片的芯片作為微重力下的研究對(duì)象。39 3 氣泡的尺寸和發(fā)泡頻率40 重力加速度越小，氣泡脫離直徑越大。因?yàn)楦×Φ尿?qū)動(dòng)作用變得非常小，氣泡不易離開(kāi)表面，所以停留時(shí)間長(zhǎng)，可以生長(zhǎng)得更大。41 重力加速度越小，氣泡不易離開(kāi)表面，所以停留時(shí)間長(zhǎng)，使得鼓泡頻率降低。42 強(qiáng)迫對(duì)流速度越大，使得表面生成的氣泡更容易脫落隨流體一起離開(kāi)，所以直徑越小。43 強(qiáng)迫對(duì)流速度越大，使得表面生成