液氮垂直流动沸腾的双流体模型分析

    作为一种安全、无毒以及廉价的低温介质,液氮在机械制造、材料加工、食品工业以及生物医疗等领域内得到广泛应用.特别在一些高新技术领域内,如高温超导磁体、大功率电子元器件的冷却等方面,液氮具有更为广阔的应用前景.在液氮使用及输送的过程中,流动沸腾是一种十分常见的物理现象.采用精确的理论模型准确预测液氮在流动沸腾过程中所表现出的水力及传热传质特性,对于深入了解低温气液两相流的机理,抑止或强化沸腾换热,提高系统性能和节约研究成本均具有十分重要的意义.

    目前,两相流数值计算广泛采用双流体模型[1],该模型也是目前公认的最精确的两相流模型.双流体模型产生和发展于核反应堆、电力锅炉等热能动力行业,随后在化工、环境、冶金等领域内也得到越来越多的成功应用,表明该模型具有足够的精确度和广泛的通用性.近年来,逐渐有研究者将双流体模型引入到低温研究领域,并取得了很大的成就,如Okamura和Rao[2,3]等采用双流体模型计算了液氦流动过程中的热质传输过程;Ishimoto等[4]在双流体模型的基础上对相关方程进行了修正和补充,计算了液氦的气穴流动.但是,低温领域内双流体模型的应用目前主要集中在液氦流动及传热的分析中,很少有研究者采用该模型分析液氮温区内低温液体的流动沸腾过程,而这些低温两相流系统在国民经济的各个领域内具有更为广泛的应用,因此具有较大的工程实用价值.为拓展双流体模型的应用领域,本文采用该模型计算液氮在垂直管内的流动沸腾过程,着重分析液相流量及壁面热通量对沸腾过程中流动及传热传质特性的影响.

    1 双流体模型及封闭方程

    1.1 基本控制微分方程

    双流体模型的基本思想如下:假定流场中的气液两相均为相互穿透的连续介质;两相在时空上共存并满足各自的控制微分方程;气液两相间动量、能量以及质量的传输通过控制方程中的相间传输项耦合.各控制微分方程具有如下的形式:

    连续性方程

    动量方程

    能量方程

    式中:下标k、j为相标记,取值l或g;φ为体积分数,φl=1-φg;ρ为密度;p为压力;µ为粘度;u为速度矢量;B为体积力;H为焓;T为温度;mkj为单位体积内由j相到k相的传质速率;Fkj为单位体积内的相间作用力,Fkj=-Fjk;K为导热系数;Qkj为单位体积内的相间传热速率.

    1.2 相间动量传输模型

    气液两相间的动量传输通常表示为界面力的形式,包括曳力F_D、升力F_L、湍流耗散力F_TD和壁面润湿力F_W等,总的作用力为以上各力之和:

F_kj=-F_jk=F_D+F_L+F_TD+F_W(4)