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1、第7卷1期Vol.7,No.11999年3月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGMarch1999X池沸腾传热基础理论新视角探讨柴立和 彭晓峰 王补宣(清华大学热能工程系,北京100084)摘要以平衡热力学为基础的单个活化核心的成核理论、以单个汽泡为基础的汽泡动力学理论和以线性叠加为基础的池沸腾传热模型是经典沸腾传热理论的基础.本文用动力学过程直接参与热力学过程而导致沸腾形态演化的观点,分析复杂沸腾系统的非线性和随机性,指出沸腾系统是存在自组织作用的耗散结构系统,非
2、线性相互作用是产生复杂沸腾现象的根源,并提出计算核态沸腾传热的新思路.本文从实际的沸腾现象出发,试图从更广和更深的层次上拓宽传统的沸腾理论.关键词 沸腾传热 动力学 非线性 随机性沸腾传热的研究是热科学中一直倍受人们重视的经典内容,目前已发表了大量的科技论文和研究报告,积累了丰富的实验数据,提出和发展了不同的理论模型.但目前几乎所有的研究和模型均具有的明显特点是:先针对单个活化核心或汽泡的情况来研究,再测定活化核心或汽泡密度,以两者来确定宏观过程传热.这种方法是一种线性叠加的分析法,它意味着各个活化核
3、心或汽泡之间是相互独立的、毫不相干的.事实上,在核态沸腾中的活化核心或汽泡之间存在强非线性相互作用.这说明传统的沸腾传热模型是有严重缺陷或不足的.这或许是现有的沸腾传热计算模型和实验值相差很大的重要原因之一.因此必须分析沸腾系统中的非线性相互作用,从新的角度来发展沸腾传热的计算模型,使计算模型进一步适应工程设计的需要.本文从几个方面对传统沸腾理论进行了新的探索.首先,把沸腾系统作为一开放的复杂系统,分析活化核心或汽泡间的自组织相互作用及沸腾形态的自组织转变过程.其次,分析沸腾系统中的非线性动力学过程,从
4、随机理论的角度探讨了沸腾系统的随机特性,提出新的传热计算思路,并由此探索复杂沸腾现象的根源.1 沸腾系统是开放的自组织耗散结构[1]根据耗散结构的基本理论,把沸腾形态看成耗散结构形态是有意义的.在过热度较低时,呈对流状态的系统尽管会有一些随机涨落,但很快就会恢复,此时系统呈稳定发展趋势,对应于系统演化的非平衡线性区.当过热度达一定值时,系统将进入远平衡区,热力学力和热力学流成非线性唯象关系,系统内部将发生长程关联的非线性相互作用,为形成1998209202收稿,1998210215收修改稿X国家自然科学
5、基金资助项目 ©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.应用基础与工程科学学报No.1 柴立和等: 池沸腾传热基础理论新视角探讨 75有序的耗散结构提供了前提条件.在这种非平衡的核态沸腾过程中,汽泡不断产生和长大的沸腾系统一方面从外面吸收能量,另一方面该不逆过程要耗散一部分能量,它们是在物[2]质和能量不断交换和耗散的过程中形成和维持的一种有序耗散结构,Haken的协同学[3]理
6、论可以对沸腾系统的耗散结构形态的形成过程给一清晰的图象.对于开放系统,如图1,以dS表示总熵变,熵产为diS,系统内外熵交换为deS,则系统总熵变可表示为dS=diS+deS[1]对于开放系统,根据Prigogine的耗散结构理论,系统不仅有熵增效应,而且在它与其它系统交换物质和能量的过图1 开放系统程中,可能使系统产生负熵过程,如果满足ûdeSû大于Fig.1OpensystemdiS,系统会走向更为有序.实际的沸腾系统也是一典型的开放系统,一方面,传热传质是沸腾的基本过程,这一不可逆过程必然导致熵的
7、增加;另一方面,沸腾系统也在不断地与外界交换能量,在这种能量交换的过程中,在一定的条件下,可能抵消系统的熵增效应,形成负熵过程,从而使系统出现更为有序的结构.沸腾系统作为一开放的耗散系统,构成该系统要素的各个活化核心或汽泡之间不是相互独立的、毫不相干的,而是相互作用的,在核化和由核态沸腾到膜态沸腾转变的过程[3]中存在明显的自组织特性.各个活化核心或汽泡之间的相互作用由两种因素引起:热相互作用和流体力学相互作用.传统的理论不考虑这种相互作用,是有明显缺陷的.2 沸腾中的非线性动力学过程热力学是沸腾传热分
8、析的基础,但是到目前为止,采用的还主要是平衡热力学的观点.沸腾传热过程实质是一个兼有力学效应和热效应的内部相变过程,从非平衡热力学的观点来看,是由相变化学势驱动的不可逆相变动力学过程.先考虑单个气泡的情况,液相中形成一个半径为r的球形气泡核心引起的系统自由焓的变化为①:4PQvhfg$Ts32$G=-r+4PRr(1)3Ts对于给定体系,Qv、hfg、$Ts、Ts、R为常数,$G相当于非平衡系统的势,因为$G是r的单变量函数,因此式(1)是
