竖直环形通道内液氮流动沸腾的数值模拟

    低温流体广泛应用于机械制造、材料加工、食品工业、生物医疗、空间技术等领域。由于饱和温度较低，低温流体在输送过程中很容易受热形成汽泡，在竖直管路中，受热产生的小汽泡在上升的过程中将逐渐聚合，最后形成几乎完全填充管道截面的弹状汽泡，管道内不断变化的含气率将会使流体发生动荡，使系统不稳定，弹状汽泡的存在以及上升甚至会导致管路阻塞，并将液柱挤出管路，产生间歇泉现象［1］。间歇泉引起的压力波动很大，有可能造成输送管路以及系统设备的损坏。因此，有必要研究竖直管路中低温流体汽泡由弥散汽泡聚合为弹状汽泡的过程。

    目前 MUSIG 模型，即多尺寸组模型被认为是描述汽泡尺寸范围较大的汽/气液二相流最为准确的模型［2］。李祥东等［3］采用 MUSIG 模型对竖直管路内弹状汽泡的形成过程进行了数值求解，与实验结果［4］的对比表明，MUSIG 模型的计算结果与实验数据具有良好的一致性。邵雪锋等［5］采用 MUSIG 模型对竖直环行通道内的液氮流动沸腾进行了数值模拟，模拟结果表明在流型转变区，空泡系数在加热壁面和管道中间存在 2 个峰值，模拟结果与实验结果［4］相符合。

    在 MUSIG 模型中，加热壁面处汽泡的核化速度是作为边界条件指定的［5］，该参数取决于脱离加热壁面的汽泡尺寸，因此，准确地确定脱离加热壁面的汽泡尺寸才能准确地预测流动沸腾中的热水力参数以及流场内的汽泡直径分布。在过去的几十年中，学者对各种低温液体的核态池沸腾以及高沸点液体的流动沸腾进行了大量的研究，李祥东［6］归纳和统计了计算汽泡脱离直径的经验及半经验关系式。这些关系式只适用于确定这些关系式的实验条件，使用范围非常有限，因此需要进行更深入的研究并建立针对汽泡脱离直径的机理模型。流动沸腾中汽泡的受力研究是建立此类模型的基础。分析流动沸腾中汽泡生长和脱离加热壁面时所受的各种力，所得到的汽泡脱离直径能适用于范围较大的实验条件。李祥东等［3］的分析忽略了管道的加热，邵雪锋等［5］采用的汽泡脱离直径关系式则属于经验关系式。本文采用结合了脱离汽泡受力平衡模型的 MUSIG 模型分析液氮流动沸腾，同时为了便于比较，也采用了 Kirichenko等［7］以及 Fritz［8］的汽泡脱离直径关系式分析液氮流动沸腾。分析结果表明，汽泡起飞直径的预测极大程度地影响汽泡尺寸分布及空泡系数的预测，采用结合受力平衡模型的 MUSIG 模型能预测汽泡起飞直径以及它的变化趋势，这有助于理解流动沸腾的复杂机理以及分析弹状汽泡的形成。