第五章(第一次课)--沸腾概述与起始

第一课两相流动沸腾概述上海交通大学核工系汽液相平衡沸腾可以在液体内部发生相变，形成气泡，也可以在加热表面发生相变产生气泡，出现气液两相共存状态。与液体相变有关的基本参数1）表面张力表面张力是相交界面上表面层分子在两相中所受的作用力不同而引起的，气相作用力弱，因此液体表层分子受一指向液体内部的拉力。表层分子比液体内部分子具有较高能量，故液体总有自动形成球形以降低体系能量的趋势。不仅在液体和气体界面上存在表面能，在任何两相界面上，例如气体和固体、固体和液体以及液体和液体之间都存在这表面能，而且都有自发减小的趋势。2）接触角βc通常把液体能均匀地粘附在固体表面上的现象称为润湿现象，固体表面被液体润湿的情况取决于相间表面张力的平衡特性，用σsg、σsl和σlg分别代表固气，固液和液气之间的表面张力，如图所示用液体与固体表面接触点处的切线AP与表面MN之间的夹角衡量液体的润湿特性，习惯上取液相侧的夹角，称为接触角。按力平衡特性有：lgcosslsgc3）化学位g化学位是在恒温恒压及成份一定的体系中，一摩尔物质j对体系（总）自由能G的贡献，又称为偏摩尔自由能，用g表示。纯物质的化学位是该物质的摩尔自由能，即：式中：h为焓，s为熵。根据自由能降低原理，平衡时，一物质在各相中的化学位应当相等，也即平衡时液相和气相的自由能相等。Tshg气－液两相平衡条件所谓相变是指物质在两相间的转移，相变过程的方向是物质由摩尔自由能较高的相迁移到摩尔自由能较低的相。封闭体系处于平衡时，状态不再发生变化。从热力学观点出发，除满足相平衡条件外，还应满足力平衡条件和温度平衡条件。图5－2为两种感兴趣的相交界面形状：平界面和曲界面。1）平界面的平衡平界面的力平衡条件为：为了满足热平衡条件，气液两相的温度必须相等，即：相平衡条件下，两相之间无凝结或气化，应有：fgppfgTTpTgpTgfg,,2）曲界面曲界面的力平衡条件与液面的凹凸性有关。现以静止球形气泡为例讨论力平衡条件。从图5－2b可以得到力平衡条件式2fgpp热平衡和相平衡条件式不变，仍为：fgTTTpgTpgfg,,亚稳态平衡和不稳定平衡态曲交界面下相平衡时，液相和气相都处于过热状态，对于液相来说，这是一种亚稳态。所谓亚稳态是指体系受小扰动作用时状态保持不变，若受到大扰动时，状态立刻发生变化。亚稳态两相流动过程研究，对成核机理核反应堆事故暂态过程研究十分有用，常可用于解释反应堆失水事故喷放过程中遇到的一些现象。核化与沸腾起始纯液相或纯气相可以经过偏离稳态、亚稳态或不稳定平衡态三种途径发生气化或凝结，又常称为核化过程。形成气核所需的过热度rpMhRTTffgsatsat22均匀核化（闪蒸）在一亚稳态液体内形成蒸汽的过程，称为均匀核化过程。均匀核化理论基本上有两种不同研究方法：动力学方法和统计学方法。这里仅简要介绍动力学核化理论的概念。在纯液体的大量分子团中，能量分布是不均匀的，这种不均匀分布造成了液体密度的波动，使部分分子团占有了较多的能量。这些高于平均值的能量称为活化能，介质内占有活化能的区域为活化点。随着分子团相互碰撞，能量可能不断地积累。若能获得足够的活化能，便促成气泡自发形成。在单位容积的纯液体中，活化点数量称为活化点密度，它是形成均匀沸腾过程的决定因素，可以用Boltzmann公式确定。既有：kTrGCNrexp均匀核化下的核化过热度Simpson和Walls认为，当时会发生显著的核化现象。213316hJNkTkThvTTTggfgfgsatsatglnsmJ31391010/~非均匀核化（沸腾）固－液界面上的核化过程是非均匀核化。固体表面核化的预测过热度虽然比均匀核化的值低得多，但仍然大于实际沸腾时的过热度值。说明有可能存在促进成核的其他因素。例如，任何固体表面都有可能具有一定尺寸大小的刻痕或凹穴，这些微小表面孔穴总会俘获一些残留气体或蒸汽，或者其他杂质。此外，液体不可能是绝对纯的，总会含有一些杂质或不凝气体。这种孔穴和外来杂质都有可能作为成核中心的胚核。由既存在胚核形成的蒸发过程也称为非均匀核化。1）平衡方程若气泡内含有的不凝气体分压为，则力平衡条件（5－7）式修正为：经过与前面类似的运算，可以求得相应的液体过热度为：rpppfgg2fggsatggsatgsathMpTRprTTT22固体表面核化均匀核化下，形成临界大小气核的能量包含液体分子传给气体分子的能量、形成气泡所做的功、以及液体－蒸汽交界面的表面能。在固体表面形成气核时，后两项能量比较小，因此所需的过热度比均匀核化下的值小，其值与液体润湿性和固体表面几何构形有关。Cole证明，应考虑自由能降低因子，将（5－24）式修正为：cf213316hJNkTkTfhvTTTggcfgfgsatsatglncccf33241coscos3）凹穴内气核的形成空穴底部俘获了少量残留气体，成为蒸汽气泡核化中心。只要液体过热度大于(5-26)式规定的对应于r1初始过热度值，则气泡便会生长。随着气泡长大，富余的过热度反而增加，则气泡便会增长。随着气泡长大，r增大，富余的过热度反而增加，促使气泡快速长大。当气泡生长打到穴嘴，即位置2后，气泡曲率中心开始上移，同时曲率半径又开始减小，于是气泡增长速度变慢。位置3为临界点，曲率半径不在减少，曲率中心上升到穴嘴，1/r=1/r3，达到最大值，对应的过热度要求也达到最大值。如液体过热度超过此值，气泡可以继续长大。曲率半径又开始增加，所需过热度降低，液体富余过热度增大，又促使气泡自发快速长大。可见，单个气泡生长所需的实际过热度仅由穴嘴半径决定，只要当液体过热度高于此值，该穴一定可以生长气泡，成为活化穴。4）固体表面温度场－Hsu的核化准则Hsu和Graham观察到沸腾表面出现循环成核现象，循环过程中加热面趋于暂态加热过程。Hsu认为，胚核内部蒸汽温度处于由穴嘴半径确定的平衡温度，胚核必须为过热液体包围才能长大，否则胚核将冷去破灭。气泡内部温度近似为：气泡半径：22satbsatcfggTTTCrh1/21212()()8[1(1]2()()wsatwsatcwwsatgfgTTTTTCrCTTCTTh流动沸腾下的成核准则（沸腾起始点确定，欠热沸腾）图5-11示有大、中、小三个活动穴，在不变热流密度下，流体整体温度逐渐升高过程中，三个代表新的层流底层液体温度分布为a、b、c。气泡生长温度Ta曲线由（5－26）式估计。按照Hsu的理论，曲线a始终低于气泡生长曲线，所有孔穴都不会产生气泡。曲线b却好与气泡生长曲线在热附面层内某处相切，这种气体可以开始生长。大于此孔穴尺寸的凹穴，因胚核表面温度Tg二凝结，小于此尺寸的凹穴，生长气泡要求过热度大于对应的液体温度值而不会生长，只有当曲线c液体温度分布变化，存在着一泡核沸腾起始热流密度，他对应于图中曲线b分布的壁温值和对应的孔穴半径。Bergles运用下述临界条件用图解法拟合出蒸汽－水系统于0.1～13.6MPa压力范围内起始沸腾热流密度经验式为：式中，q的单位为W/m2,p的单位MPa。0284071801581810150.....pONBTpqDavis和Anderson的关系式2()8ffgONBsatsatfgkhqTT本次课结束！