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1、第41卷第6期力学进展Vol.41No.62011年11月25日ADVANCESINMECHANICSNov.25,2011不同重力条件下管内冷凝现象研究进展赵建福y彭浩中国科学院力学研究所微重力重点实验室,北京100190摘要本文对不同重力环境中水平管内冷凝气液两相流动与传热现象的研究现状进行了全面评介,重点关注于航天应用中的小管径、低流量和以氨为工质的情形,以及部分重力条件下冷凝现象中的重力效应.冷凝现象中管壁四周液膜的存在,导致水平管内冷凝气液两相流与沸腾或绝热气液两相流在构型上存在着明显的不同,表面张力的作用增大,向波状和分层流转换
2、所对应的临界Bond数也随之增大,进而使小管径、低流量水平管内冷凝气液两相流动与传热现象中的重力效应减弱,甚至可以忽略不计.实验发现该情形中摩擦压降要小于基于常规气液两相流实验数据的经验关联式的预测结果,而更接近光滑环状流情形;对冷凝两相传热系数的预测,只有采用基于空隙率与界面剪切率相互耦合的模型,才能够给出较好的结果.关键词微重力,管内冷凝,气液两相流,压降,传热系数1引言是中国科学院力学研究所国家微重力实验室)近十多年来在微重力气液两相流动与传热研究领域随着航天事业的快速发展,包括航天器主动的成果.热控系统、动力系统、低温流体的储存和输
3、送系不过,因气液两相流动与传热现象中的不同统等的应用,对气液两相系统研究提出了迫切的过程有着不同的特征时间,而长期、连续的空间需求.航天应用对气液两相系统的可靠性、安全(或地球轨道上的)微重力实验环境又极为难得,极性等,有着极高的要求,特别是由于相应系统在航为有限的空间微重力实验往往又受制于实验设备天器不同飞行阶段将处于不同的(残余)重力环境,尺寸、重量、功耗、数据容量等客观限制,导致目而相关应用系统的研制和性能检测等往往只能在前对微重力气液两相流动与传热现象各典型过程地面常重力环境进行,因此,气液两相流动与传热的研究极不平衡,相应研究较多
4、地集中于池沸腾现象中的重力效应问题对航天用气液两相系统有现象,其次是管内气液两相流型、压降与流动沸腾着至关重要的意义.传热现象,而对管内冷凝现象的研究则极少.造成微重力气液两相流动与传热研究,包括对微后一情况的主要原因有以下两点:(1)管内冷凝实小重力环境中的气液两相流动与传热特征的观测,验需要同时具有主、辅两套循环系统,主循环系统以及对不同重力环境中的气液两相流动与传热特除具备冷凝观测功能外,还需要提供满足实验要征间的差异的对比分析,进而揭示气液两相流动求的蒸汽流;辅助循环系统则用于带走冷凝实验与传热机理(特别是重力作用机制).相关研究可
5、段放出的热量,并提供冷凝测试所需要的稳定的以追溯到20世纪50年代,目前已有许多详尽的综实验条件.这导致管内冷凝实验系统复杂,尺寸、述或专著来总结其进展情况,其中,Hewitt[1],Mc-重量和功耗都较其他实验更大.(2)冷凝现象需要Quillen等[2],Straub[3],DiMarco[4],Kim[5],Ohta[6-7]更长的时间才能达到热平衡,因此需要更长的微和Gabriel[8]分别总结了国际上相关的实验与理论重力时间.这基本上排除了利用诸如落塔、抛物研究进展;最近,Zhao(赵建福)[9]总结了我国(尤其线飞机等地基短时微
6、重力实验设施开展冷凝研究收稿日期:2010-07-26,修回日期:2011-06-08†E-mail:jfzhao@imech.ac.cn第6期赵建福等:不同重力条件下管内冷凝现象研究进展703的可能.尽管如此,鉴于航天应用领域的强烈需求,2水平管内冷凝现象基本特征目前依然有一些研究结果陆续得以报道,对理解单相的蒸汽进入冷凝管,接触过冷管壁发生管内冷凝现象、指导航天应用有着重大意义.气–液相变,凝结为液体并释放出热量.若壁面与本文主要评述不同重力环境中水平管内冷凝冷凝液不浸润或冷凝液量极小,则冷凝会表现为气液两相流动与传热研究的最新进展,重
7、点关注在航天应用领域中具有重要应用价值的小管径、珠状冷凝;但一般情形中,管内冷凝现象往往以气低流量和氨为工质的管内冷凝气液两相流动与传液两相环状流动为主要特征—–冷凝液在管壁四热现象及其中的重力效应,作为进一步深化理解周铺展形成环状液膜,将蒸汽和过冷固壁分离开管内冷凝现象内在机制的基础,并对相关航天应(图1).因此,液膜也就成为了冷凝换热的主要热用技术的研发提供帮助.阻.[10]图1水平管内冷凝现象中的环状液膜随着冷凝液的增加,最初分布相对均匀的环没有液、气分层现象,即波状或分层流不复存在.状液膜在重力影响下向底部汇集,形成波状或分不过,对
8、于航天应用中的诸多情形,重力往往有所层流动;冷凝液的进一步增加会导致蒸汽含量的减弱,但并未被完全抑制(如月球或火星表面重力急剧减少,流型演变为间歇流(弹状流或塞状流),分别约为地
