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随着石化、航空航天等行业的迅速发展,流体的热传导、换热、挥发等问题越来越需要得到关注。其中,沸腾炉内流体动力特性的研究是一项十分重要的工作。本文将从沸腾现象的实验模型、流体动力学行为以及热传输特性三个方面进行探讨。
一、沸腾现象的实验模型
沸腾现象的实验模型一般是指将液体加热到一定温度时开始产生蒸汽,并且蒸汽越来越多,形成局部或整体的泡态,以及与之相伴随的表面活性变化、传热效率变化等一系列有关热传导的特性。通常,沸腾现象可以分为自然沸腾和强制沸腾两种。自然沸腾是指液体在一定的温度和压力下自发地产生蒸汽,蒸汽气泡从液体中升起,背负着大量的潜热,给周围介质带来了较大的换热量;而强制沸腐是指在外力的作用下,将液体加热至高于饱和温度的温度范围内,使得液体中产生大量气泡并迅速升起,此时蒸汽产生速度远大于自然沸腾。强制沸腐的产生需要通过加热剂等外力手段实现,在实际生产及科研中应用较为广泛,也正因此,本文的重点将放在强制沸腐上。
二、流体动力学行为
沸腾炉内液-气两相间的动力学行为具有很高的复杂性。目前,对沸腾炉内流体动力的研究大致可以分为三类:(1)单个气泡、(2)单具气泡在流场中的行为、(3)气泡流、热传输的宏观性质研究等。其中,单个气泡是指液体中单个气泡在其生命周期内的运动轨迹变化;单具气泡在流场中的行为则是指在复杂的流场条件下,单个气泡中的流动变化以及与周围液体、气体之间发生的交互行为;气泡流、热传输的宏观性质研究则是针对沸腾炉内液体流、气泡传输时存在的整体性质进行研究,如液相流速、气泡产生速率、热传导带来的影响等。
三、热传输特性
沸腾广泛应用于各种加热和冷却过程中,其中一个主要的原因是沸腾气泡的传热指数较大,相比于传统的对流传热,效率提高了不少。同时,“气泡爆裂”现象也会产生很多瞬间的热量输出,进一步提高了传热效率。不过由于沸腾现象本身的复杂性,现有的沸腐理论研究还存在着诸多限制。例如,由于气泡间相互影响,液体吸附效应以及气泡变形等,加热壁面的温度分布变化较为复杂;另外,气泡大小、产生速率和空间分布均对热传输性质产生了较大的影响,因此如何合理评估这些因素的作用,势必需要进一步加强研究。
总之,沸腾现象是一项涉及多学科的综合性问题,其涉及的领域包括热传导、流体力学、材料学、光学等等,需要我们不断地加强理论研究和实践应用。