加热板上液滴沸腾实验研究

　　0　引　言

　　液体沸腾是日常生活中常见的物理现象,沸腾现象的复杂性、不确定性以及工程实用性,使得其一直是学术界关注的热点和难点问题。沸腾研究的重点主要有两个方面:一是深入研究沸腾的各种影响因素,特别是加热表面特性和气泡间的相互作用的机制;二是研究一些特殊条件下的沸腾现象,比如微通道中的沸腾机理[1-3]、微重力场、电磁场作用下液体的沸腾等。单个液滴的沸腾,既有较为广泛的应用背景,诸如空间站热控制系统、核反应堆安全、灭火、涡轮机叶片冷却、热金属铸模表面冷却、低温热泵冷却等,又有较为有意义的学术背景———通过单个液滴的沸腾研究,可以比较方便的控制一些沸腾的条件,较为系统的揭示沸腾的一些机理。液滴沸腾又明显有异于池沸腾:其实发生在较小空间尺度内的沸腾,往往存在沸腾与凝结的强烈耦合,使得气泡的行为较为特殊,同时固气液三相接触线区域旺盛的传热传质也显著的影响着沸腾的过程。

　　液滴蒸发的系统研究始于Tamura和Tanasawa[4]的工作:根据热表面温度的不同,把液滴蒸发分为膜蒸发区(film evaporation)、核态沸腾区(nucleation boiling)、过渡区(transition)和球化态区(spheroidal vaporization)。之后研究者进行了大量的实验研究、理论建模和数值模拟。Toda等[5]的研究表明,膜蒸发区导热是液体内部传热的唯一模式。Ruiz和Black[6]考虑了液滴内部流动对液滴蒸发过程的影响,数值模拟表明,液滴内部温度分布与纯导热模型有显著差异。在液滴沸腾方面,球化态区的Leidenfrost现象是研究的热点之一,已有大量的报道[7-10],但是,这些研究工作,重点在于研究液滴沸腾时的整体的传热传质特性,而对于沸腾区液滴内部核化及气泡的动态微细过程关注较少。事实上,液滴内部气泡尺寸、分布、生长、合并及演化对蒸发与传热速率有重要影响,气泡行为的理解和认识对液滴核态沸腾区蒸发机理认识有重要意义。本文通过高速摄像技术,观测液滴在不同加热表面上的沸腾形态,通过人工改造加热表面的状况,重点研究液滴内部核化气泡的细微及局部的变化特性,以及沸腾形态对于传热传质的影响。

　　1　实验

　　实验装置主要包括三部分(见图1),实验本体、温度采集系统和图像采集系统。本体由水平平台、加热装置、金属板、玻璃罩等构成。加热装置包

　　括铜铸加热器、数字调温仪和热继电器,采用交流电源,数字调温仪和热继电器用来调节和稳定温度。实验以不锈钢和铜片制成(50×50×5) mm3方板作为加热表面,其中铜片进行三种表面性质的改进:抛光,如图2(a)所示;表面烧结50μm粒径的铜粉颗粒多孔层,如图2(b)所示;经过Plasma等离子体清洗机处理过的铜表面,如图2(c)所示。