2018傳熱傳質(zhì)學(xué)年會(huì)集

中國(guó)工程熱物理學(xué) 傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)會(huì)議 編號(hào)：1832371，21（1.交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力，2.麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系，市02139，( ,通訊作者: 是低溫點(diǎn)；在臨界熱流密度點(diǎn)，沸騰汽泡基圓直徑顯著增加，汽泡底部微液層，汽泡下方出現(xiàn)高：其中，臨界熱流密度（Criticalheatflux，也稱(chēng)沸騰）作為沸騰換熱設(shè)備安全運(yùn)行的6]對(duì)于池沸騰臨界熱流密度的產(chǎn)生機(jī)理，常見(jiàn)的假說(shuō)包括水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定模型model[]model汽泡力平衡模型[9]（balancemodel）等。水動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定模型的固有缺陷是完全忽 LBM中，通過(guò)微觀(guān)的粒子分布函數(shù)的演化來(lái)描述流體。偽勢(shì)模型的分布函數(shù)演f(xe,t)f(x,t)1f(x,t)f(eq)(x,t)f(x,

i

eu (e u2f(eq)1 i

s其中ωi是權(quán)系數(shù)，cs是格子聲速。Δfi(xt)是作用力項(xiàng)，由下式給出 f(x,t)feq(x,t),uufeq 其中ΔuFδt/ρ是時(shí)間步δt內(nèi)由于力的作用引起的速度變化。作用力F

F(x)c(x)G(x)(1)cG2(x)/

(x)(x)G(x,x')(x')(x'x)1G(x,x')2(x')(x'

其中G(xx')

G

xx'122G(x,x')G22

2(pc2(pc2sc06.0Peng-Robinson a2(Tp

1 12bb2T/其中(T)[1(0.374641.542260.269922 )]2。本文取aT/b=2/21，R=1，ω=0.344Tcr=5835/80017。Fs(x)(x)Gsis(xeit)i

Gs用于調(diào)節(jié)接觸角的流-s(x)x是固體節(jié)點(diǎn)時(shí)其值等1x0Fg則由下式給出Fg(x)((x)ave D2Q9格式對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)為：ωi=4/9（i=0、ωi=1/9（i=1~4、ωi=1/36（i=5~8ie(1,0)c,(0,1)ci

ii1~i5~

s其中cδx/δt是格子速度，δx是格子長(zhǎng)度，δt是時(shí)間步長(zhǎng)，通常取δxδt1。在D2Q9格式中，c2=c2/3。運(yùn)動(dòng)粘度由下式給出s c2

上述中的密度和速度由下式給

iueii

uUeifii

g?(x,t)=g(x,t)1g(x,t)g(eq)(x,t)

T

t

gi(xeit,tt)=g?i

其中，考慮汽液熱物性的差別以及定容比熱容和定壓比熱容的區(qū)別，GongCheng2017年推導(dǎo)了如下形式的源項(xiàng)表達(dá)式

1p

U+(kT)(T

T cT v 上式中，αα=k/(ρcp)cp是定壓比熱容。另外，τT是溫度分布函數(shù)的松弛時(shí)間，gi(eq)(x,t)是溫度平衡態(tài)分布函數(shù)并由下式給出 e (e U2g(eq)T1 i

sc2

在汽液界面處，流體物性χ（如熱擴(kuò)散系數(shù)、運(yùn)動(dòng)粘度、比熱容等）

vl

l v

Ti

1不穩(wěn)定波長(zhǎng)[1]（Taylormost-dangerouswavelength）

0d2g(

)

vσ是表面張力，gHb=0.5λdthickness[14]0Tsatcp,lcv,l=4.0μl=0.354αl=0.05；cp,vcv,v2.0，μv0.0348，αv0.06。因此，飽和液相和飽和汽相的導(dǎo)熱系數(shù)比為kl/kv=17，普朗特?cái)?shù)分別為Prl=1.2，Prv=1。根據(jù)Gong和Cheng[16]理論方法，可得到汽化潛熱為hfg=0.3307。表面張力可以根據(jù)如下的拉斯毛細(xì)方程確定pinpout/

pinpout80×80格子的Rd的飽和汽泡置于計(jì)算區(qū)域的正中心，汽泡周?chē)鸀橄鄳?yīng)的飽和拉斯毛細(xì)方程獲得T=0.9Tcr下對(duì)應(yīng)的表面張力為σ=0.084。前已述及，接觸角由流-GsGs0.72。為獲得其對(duì)應(yīng)的80×80行40000時(shí)間步以確保達(dá)到穩(wěn)態(tài)。需要的是，在流-固界面處采用（6）計(jì)算靠θ=30°。λd192W192格點(diǎn)，Hb100格點(diǎn)，H400格點(diǎn)。前g(x,t)1

,t)2g?(x,

1

1 g(x,t)1

(x,t)

,

1

1 γ=(ρcp)s/(ρcp)f是加熱器和流體的熱質(zhì)量的比值，i-i?i(xt溫度分布函數(shù)。本文的模擬中，加熱器熱物性為(ρcp)s23.6，αs=2。對(duì)應(yīng)的固//ks/kl40，ks/kv=678g(g(lvl

u

tl/

0

l00t2000δt（0t*3.35，t*=t/t0）時(shí)，僅對(duì)密度分布函數(shù)進(jìn)行演化。為強(qiáng)化沸騰汽泡成核或激發(fā)汽液界面Taylor2000δt<t≤15000δt（3.35<t*≤25.2）（y0）加上如下形式的小幅溫度波動(dòng)：T(xTb+0.04Tcr×sin[2π(x?Lx/4)/Lx]t>即t≤15000δt（3.35<t*≤25.2）t=20000δt（t*=33.5）以后才開(kāi)始提取相關(guān)模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析。Tb2所示的定壁溫條件下的飽和池沸騰曲線(xiàn)。該圖中，JaJakobnumber，定義為Jacp,l(TwTsat)/

Tw是時(shí)間和空間平均后的壁面溫度(yHb處)。Q''是時(shí)間和空間平均的無(wú)量綱 Q''Q'tdt/(tbta

tatb是一個(gè)足夠長(zhǎng)的時(shí)間間隔(33.5t0<t*83.9t0)。Q'(t)是空間平均無(wú)量綱熱流Q(t) k

1

0= 0lhfgLx

yy

=

yKandlikar的汽泡力平衡模型[9]進(jìn)行了對(duì)比。ZuberKandlikar模型可寫(xiě)為()g02QCHFKvhfg 2v

對(duì) 模型， 0.12~0.157；對(duì) 模型1cos

0K (1cosr

angle 2CHFZuber模型（K0.12）Kandlikar模型的預(yù)KandlikarCHFθr=80°。這一后退接觸角4CHFpoint瞬時(shí)時(shí)刻的沸騰汽泡動(dòng)力學(xué)、加熱器內(nèi)等溫線(xiàn)分布以及加熱器上表面（y=Hb）的局部向是斜向上，即存在橫向分量。需的是，在汽泡下方的這一低溫區(qū)（圖3中的矩微液層蒸發(fā)的存在，汽泡下方的這一低溫區(qū)域是局部高熱流區(qū)域（3第三列3低過(guò)熱度區(qū)的汽泡動(dòng)力學(xué)、加熱面（y=Hb）局部溫度/泡動(dòng)力學(xué)、加熱器內(nèi)等溫線(xiàn)分布以及加熱器上表面（y=Hb）的局部溫度和熱流密度分4第三列的加熱面熱流密度分布。這表明此時(shí)汽泡下方已經(jīng)不存在微液層，變成了4臨界熱流密度點(diǎn)的汽泡動(dòng)力學(xué)、加熱面局部溫度/90°。這是由三相線(xiàn)附近的劇烈蒸發(fā)作用導(dǎo)致的。這一現(xiàn)象也涸點(diǎn)的形成關(guān)。采用介觀(guān)格子Boltzmann方法汽液相變模型對(duì)池沸騰臨界熱流密度進(jìn)行了直采用模型模擬得到的臨界熱流密度萊頓弗羅斯特（Leidenfrost在臨界熱流密度點(diǎn)，由于三相線(xiàn)處的劇烈蒸發(fā)作用，汽泡表觀(guān)接觸角顯著增加，這一現(xiàn)象導(dǎo)致汽泡下方區(qū)域不能被有效冷卻，因此和高溫干涸點(diǎn)的形成密切相關(guān)。參考文獻(xiàn)V.P.Carey,Liquid–VaporPhase-ChangePhenomena:AnIntroductiontotheThermodynamicsofVaporizationandCondensationProcessesinHeatTransferEquipments,HemispherePublishingCorporation,USA,1992.H.J.Cho,J.P.Mizerak,E.N.Wang,Turningbubblesonandoffduringboilingusingchargedsurfactants,Naturecommunications,6(2015)8599.H.J.Cho,D.J.Preston,Y.Zhu,E.N.Wang,Nanoengineeredmaterialsforliquid–vapourphase-changeheattransfer,NatureReviewsMaterials,2(2)(2017)16092.K.H.Chu,Y.SooJoung,R.Enright,C.R.Buie,E.N.Wang,Hierarchicallystructuredsurfacesforboilingcriticalheatfluxenhancement,AppliedPhysicsLetters,102(15)(2013)151602.M.M.Rahman,E.Olceroglu,M.McCarthy,Roleofwickabilityonthecriticalheatfluxofstructuredsuperhydrophilicsurfaces,Langmuir,30(37)(2014)11225-11234.N.S.Dhillon,J.Buongiorno,K.K.Varanasi,Criticalheatflux aduringboilingcrisisontexturedsurfaces,Naturecommunications,6(2015)8247.N.Zuber,Hydrodynamicaspectsofboilingheattransfer(thesis),Ramo-WooldridgeCorp.,Angeles,Y.Haramura,Y.Katto,Anewhydrodynamicmodelofcriticalheatflux,applicablewidelytobothpoolanddconvectionboilingonsubmergedbodiesinsaturatedliquids,InternationalJournalofHeatandMassTransfer,26(3)(1983)389-399.S.G.Kandlikar,AtheoreticalmodeltopredictpoolboilingCHFincorporatingeffectsofcontactangleandorientation,JournalofHeatTransfer,123(6)(2001)1071-1079.T.Theofanous,T.N.Dinh,J.Tu,A.Dinh,Theboilingcrisisphenomenon:PartII:dryoutdynamicsandburnout,ExperimentalThermalandFluidScience,26(6-7)(2002)793-810.S.Gong,P.Cheng,Directnumericalsimulationsofpoolboilingcurvesincludingheater'sthermalresponsesandtheeffectofvaporphase'sthermalconductivity,InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer,87(2017)61-71.X.Shan,H.Chen,LatticeBoltzmannmodelforsimulatingflowswithmultiplephasesandcomponents,PhysicalReviewE,47(3)(1993)1815.A.Kupershtokh,CalculationsoftheactionofelectricsinthelatticeBoltzmannequationmethodusingthedifferenceofequilibriumdistributionfunctions,in:Proc.7thInt.Conf.onModernProblemsofElectrophysicsandElectrohydrodynamicsofLiquids,St.PetersburgStateUniversity,St.Petersburg,Russia,152155,2003,pp.155.I.Golobi?,A.E.Bergles,Effectsofheater-sidefactorsonthesaturatedpoolboilingcriticalheatflux,ExperimentalThermalandFluidScience,15(1)(1997)43-51.Q.Lou,Z.Guo,B.Shi,Evaluationofoutflowboundaryconditionsfortwo-phaselatticeBoltzmannequation,PhysicalreviewE,87(6)(2013)063301.S.Gong,P.Cheng,LatticeBoltzmannsimulationofperiodicbubblenucleation,growthanddeparturefromaheatedsurfaceinpoolboiling,InternationalJournalofHeatandMassTransfer,64(2013)122-132.L.Li,C.Chen,R.Mei,J.F.Klausner,ConjugateheatandmasstransferinthelatticeBoltzmannequationmethod,PhysicalReviewE,89(4)(2014)043308.S.Nukiyama,The umandminimumvaluesoftheheatQtransmittedfrommetalto(1966)1419-1433.P.J.Berenson,