垂直通道内低温液体过冷流动沸腾传热的数值预测模型

    1 引 言

    在采用低温液体作为介质的冷却系统中,过冷流动沸腾是一种十分重要的传热方式。低温液体在垂直通道内的过冷流动沸腾过程如图1所示。当通道主流区内的液体还处于过冷状态时,边界层内的液体已达到饱和温度并开始在壁面上的凹坑或裂缝(称为/气穴0)处形成气泡。气泡开始形成的位置称为/核态沸腾起点0(Onset of Nucleate Boiling,下称ONB)。实验观测[1]发现,在ONB下游的一段距离内,气穴上的气泡并不能立即挣脱加热壁面,而是先长大至一定的直径,在浮力和液体惯性力的作用下脱离气穴,之后沿加热壁面滑行一段距离,并在此过程中逐渐长大至脱离直径,然后才能脱离壁面。气泡脱离固体壁面的位置称为/有效空泡起点0(Onset ofSignificantVoid,下称OSV)。不难发现,在ONB上游的区域内,通道壁面完全被液体覆盖,传热机理为液体单相对流传热,自ONB起,由于有液体汽化吸热,通道壁面上开始出现新的传热机理,传热过程变得复杂。自OSV起,气泡开始进入液体主流区,通道内的流动才真正从单相流转变为两相流。可见,ONB和OSV是核态流动沸腾过程中十分重要的两个参数,建立机理模型准确预测这两个点的位置对于分析和提高冷却系统的性能具有十分积极的意义。

    2 模型方程的建立

    要准确预测低温液体的流动沸腾传热,首先需要了解沸腾壁面上的传热机理,即要了解通道壁面上的热量通过哪几种方式传入流体。如图2所示,根据壁面上气泡形成及脱离的位置可以将加热壁面沿流动方向划分为3个区,各区内分别存在不同的传热机理。

    2. 1 I区

    I区为ONB上游的区域。这个区域内的通道壁面完全被液体覆盖,壁面上总的热通量q_total完全通过单相对流传入液体,因此有:

q_total=qc(1)

    其中,qc为单位面积上液体的单相对流传热速率,可按下式计算:

    其中,St为当地斯坦顿数,可按Kurul[2]方法计算;Ql为液体密度;Cpl为液体热容;ul为壁面附近的液体速度;TW为壁面温度;Tl为近壁区内的液体温度;Ac为通道壁面上对流换热所占的面积分数, I区中,Ac=1。

    2. 2 II区

    II区为ONB与OSV之间的区域。Basu[3]等认为,虽然II区中的通道壁面上有气泡产生,但是这个区域内的气泡始终黏附于固体壁面,并没有进入到液体主流区。若假定气泡直径远大于热边界层厚度,则该区内气泡的顶部仍处于过冷液体中。于是,过热液层在气泡底部汽化,而气泡内的气体又在顶部冷凝,气泡只是为热量从壁面传入液体提供了一条新的路径,因此这一过程仍可视为单相对流传热。只是由于气泡的存在使壁面变得粗糙,增大了液体的湍流扰动,进而强化了单相对流换热,为此他们引入了一个强化因子φ(φ>1)来修正该区内的对流换热系数。作者认为, II区为气泡形成和长大的区域,虽然该区的汽化传热量不大,但这种传热机理事实上是存在的,因此除了液体的单相对流传热外,还必须考虑液体的汽化吸热