过冷沸腾气泡行为的实验研究

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1、万方数据第25卷第1期2004年1月工程热物理学报JOURNALoFENGINEERINGTHERMOPHYSIaSV01．25，No．1Jan_2004过冷沸腾气泡行为的实验研究赵耀华姬朝明中国科学院工程热物理研究所，北京100080)摘要本文采用拍摄速度为10000帧／秒的高速摄影仪埘不锈钢箔表面的过冷沸腾现象进行了可视化实验研究。实验结果与用微液层模型理论预测的结果一致。高过冷度区域的沸腾换热机理主要是由气泡生长、消失过程中温度边界层的强制排除(所谓强制对流)引起的。气泡周期主要由等待时间构成，这在过冷度高的情况下尤为显著。对等热流密度换热面，微液层模型预测的气泡周期与实验值比较吻合

2、。关键词过；【争沸腾；气泡行为；微液层摸型中图分类号：TKl24文献标识鸦tA文章编号：0253_23lx(2004)ol0100—03EXPER_IMENTALINVESTIGATIoNoNBUBBLEBEHAVIoRSINSUBCooLEDBoILINGZHAOYao_HuaJIChao_Yue(血日muteofE吲㈣“gn盯珊0phy鲥cs，∞jneseAcademyofscj㈣，口e灯j“g100080，∞iⅡa)AbstractBubbkbehavi。∞sofsubcookdbomnghavebeeninvestigatedbyvisualexperimentsBoilingbu

3、bblesatstainkssfoilare。bservedbyah培h一8peedcamerawith8peedof10000fraIIle／sinthenucleatepoolboiUngofsubcooledwater．Theexperimemsclarmedth砒onecvcleoftheindividualbubbleexperiencesfourstages，i．e．，theiniti越growthwithasem■sphericalshape，the丘n以growthwjchasphericm8egmentgeometmthecondensationprocessa丑dthe

4、wajtiⅡgti功e，The戢perjmemaldataofbubbleperiodsagreewiththet±啪reticalpredictionsbvthemicrolayermodel_KeywordsBubcooledbomng；bubblebehaviors；microlayermodel1引言过冷沸腾作为一种高效的换热手段，在锅炉、核反应堆、高温钢板冷却以及超导体线圈冷却等方面有着广泛的应用。前人对过冷池内沸腾换热的研究取得了较大进展【“⋯，但由于未考虑传热面上的固液接触机理，因而无法了解沸腾换热的详细过程。在这些研究工作中，由于未考虑传热面的表面状况和物理性质，所以对于高

5、过冷度的情况，随着过冷度的增加，有些实验结果显示，临界热流密度(cHF)也增加，但有些实验结果则显示，cHF趋于某一固定值，对于这一实验现象还没有满意的解释。而且，沸腾换热到底主要是由蒸发这样的潜热输送引起的，还是由对流这样的显热输送引起的，迄今没有统一的认识，因此有必要对其进行定量的分析和研究。本文将用高速摄影仪对过冷沸腾中的气泡行为进行可视化研究，并与微液层模型【5，6J的预测结果进行对比，试图揭示过冷沸腾的传热机理。2微液层模型高过冷区的传热主要受单个气泡的行为控制。单个气泡的总周期包括两部分：气泡寿命和等待时间。气泡寿命又由三个时段组成：初始生长时段、后期生长时段和气泡消失前的凝结

6、时段吲。(1)单个气泡的初始生长时段(o≤t≤t。)由活化汽核生成半球状气泡并在气泡下形成微液层。r=d／2时，单个气泡的初始生长时间：t9=ca【mh如d／(4乜△正。t)】2(1)(2)微液层蒸发占主导地位的后期生长时段(tgSt曼tg+凡)收稿日期，2002-ll·29；修订日期：2。03-11-17基金项目：中国科学院“百人计划”资助项同(No．2000)作者简介：赵耀华(1964_)，男，湖南常德人，教授，博导，主要从事相变传热传质和微热系统的研究工作万方数据儿0工程热物理学报25卷在后期生长时段，在气泡下面及相邻的单个气泡之间形成比微液层更厚的液层，即厚液层。凡是微液层蒸干所需

7、的时间，，!：竺堡堕!：㈨”一32。m砰△掣’7(3)凝结时段凡(￡。+凡≤￡≤t口+凡+-)当微液层蒸干之后，主要在厚液层表面蒸发。此时的蒸发热流密度要远小于微液层时的情形。这时的换热以气泡界面上蒸汽凝结换热为主。因此，单个气泡的寿命为：n=t。+％+％(3)过冷度较高时，由于附着时段％很短，故气泡的消失过程在％中占主要地位，丁1决定“，即％=n。(4)等待时间％气泡一旦消失，过冷液体就补充到沸腾壁面。对于等热流壁面情