沸騰兩相流綜述

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1、沸騰換熱文獻綜述引言近二十年來，多相流體力學和多相傳熱學發(fā)展迅速。在熱能、動力、化工、核能、石油、冶金、制藥、電子、航空航天、生物工程等領域均有重要應用。在多相流研究中，流動沸騰尤為重要，很多行業(yè)的許多生產(chǎn)設備中都涉及到流動沸騰換熱工況，大至電站鍋爐的沸騰管、化工精餾塔、蒸汽機車，小至MEMS的冷卻無不與流動沸騰有關。沸騰換熱具有傳熱溫差小，換熱強度高等特點，在許多工業(yè)與技術領域內(nèi)得到了廣泛應用。管內(nèi)溶液的蒸發(fā)就是沸騰換熱過程，此過程伴隨著汽液相的轉(zhuǎn)換，屬于汽液兩相流動體系。由于蒸發(fā)的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在濃

2、縮時可能析出結(jié)晶、易于結(jié)垢、粘度較大等，使得蒸發(fā)器的安全穩(wěn)定運行很難得到保障。將惰性固體顆粒加入到汽液兩相流動體系中，形成汽液固三相流，可以較好地解決蒸發(fā)換熱裝置在運行過程中出現(xiàn)的壁面結(jié)垢和傳熱強化問題。但由于沸騰多相流動的特點使得其流動狀況非常復雜，而加入固體顆粒后形成汽液固三相流動就更為復雜，因此，對沸騰兩相流動及汽液固三相流動的動力學特征研究一直是人們感興趣的課題。流體動力學特性的研究是多相流體系的基礎，它為與之相關的物理過程提供了重要的第一手資料，可為流動體系的進一步研究如傳熱、傳質(zhì)、化學反應等，以及設備的設計和放

3、大提供可靠的依據(jù)。因此，開展氣（汽）液固多相流體系的流體動力學研究，對于深入理解多相流體系的內(nèi)在運動規(guī)律和流型轉(zhuǎn)化機制具有十分重要的意義。在多相流動過程中，由于汽、液、固相界面的變形和運動等原因，使得相界面運動具有動態(tài)特性，表現(xiàn)出強烈的非線性性質(zhì)，是一個多變量相關的復雜非線性系統(tǒng)，其主要特征為復雜性。在此復雜現(xiàn)象中，也必然存在著某種規(guī)律性，這種規(guī)律性表現(xiàn)為一系列混沌運動劉燕.數(shù)值管內(nèi)氣液固多相流動沸騰過程的流體動力學研究[博士學位論文].河北：河北工業(yè)大學.2010年6月。若僅采用傳統(tǒng)的基于線性原則的分析方法，如譜分析技術

4、、隨機分析技術等，不能深入地從本質(zhì)上揭示動態(tài)的、非線性的多相流動及傳遞現(xiàn)象和流動機制。因此，對這些多相流動復雜過程的研究，運用非線性理論是十分必要的。沸騰兩相流的研究歷程對于沸騰兩相流的研究早在19世紀末20世紀初，就隨著蒸汽機的發(fā)明和鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)。在1949年正式出現(xiàn)了兩相流這一名詞。隨著動力工業(yè)中高溫高壓參數(shù)的引入，以及宇航工業(yè)、商用核電站的發(fā)展，大量有關汽液兩相流與傳熱的研究論文開始出現(xiàn)。對兩相流的研究目的是判定在何種外界條件下熱設備中會出現(xiàn)兩相流動，以及兩相流不同流型的傳熱特性、流動特性、對系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)的影

5、響等等。研究內(nèi)容包括宏觀模型研究、流型研究、流動特性研究、傳熱特性研究，以及它們對兩相流系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。兩相流動過程數(shù)學模型研究主要基于以下幾點M.MISHIMA.Two-fluidmodelandhydrodynamicconstitutiverelations.NuclearEngineeringAndDesign,1984,82(2):107-126：從質(zhì)量守恒，能量守恒，動量守恒出發(fā)，將這些平衡應用于各個相界面。以現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)（流型、控制體內(nèi)部流動變量的分布等）將流動過程進行某些理想化處理?？紤]到現(xiàn)有的實驗數(shù)據(jù)

6、并根據(jù)某些普遍適用的規(guī)律，如熱力學第二定律，對各相以及相界面的有關物性參數(shù)，進行某些理想化處理。對發(fā)生在邊界上的傳送，進行某些理想化處理。這種理想化導出傳輸定律，以及某些理論的和實際的限制（方程組閉合的必要性，方程易于處理性等等）。由以上敘述可以看出，從熱力學平衡（包括局部平衡）為前提的兩相流?；ㄙ|(zhì)量、動量和能量平衡、各相相應的物構定律以及邊界條件及初始條件，然后把這一系列方程組合成閉合方程組，進行數(shù)值模擬，解得不同工況下的流場特征參數(shù)分布。具體解這些方程組時，涉及到模型簡化的問題。一般是采用宏觀的方法，即將兩相工質(zhì)視

7、為連續(xù)介質(zhì)進行研究。工程上常用的有均相流模型、分相流模型等等。然而這些宏觀模型大多都采用這樣一個基本假設，即相間熱力學平衡。這些模型對一般場合雖有簡單易懂的優(yōu)點，但對于沸騰過程中相界面存在強烈熱質(zhì)交換的情況，則顯得不合適。流型的定義是各式各樣的，一方面是由于流態(tài)定義本身的人為特點；另一方面是由于對基本相同的流型給予不同的名稱。流型的判斷通常是用目測或其它方法進行流型的分類，并通過諸如相折算速度或總質(zhì)量流率和干度等參數(shù)畫成流型圖。通常這些流型圖無普適意義。于是人們繼續(xù)研究坐標可以通用化的流型圖。這類研究成功的可能性不大，因為

8、對于每一個流型過渡來說，存在著不同的相關通用參數(shù)。然而通用流型圖仍被廣泛應用，并且對于垂直流動尤以Hewitt和Roberts的通用流型圖影響最廣G..F.Hewitt,D.N.Robertson.StudiesofTwo-PhaseFlowPatternsbySimultaneousX-rayandF