高等传热学-相变-第2章-4

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二.加热壁面上汽泡的成长过程阶段I:早期的研究,假设热量首先由壁面传给壁面附近的过热液体,然后再由过热液体将其中一部分热量传给汽泡,而另一部分热量由液体传给主体液体。简单的分析将热边界层看作一堆无限大的平板导热来考虑,而且不考虑液体向主题的传热。阶段II:1965年Han与Griffith进一步提出汽泡根部直接从壁面获取热量的汽泡成长模型。该模型认为:气泡获得热量的途经包括两种:主体液体热边界层液体壁面汽泡(根部)汽泡其汽泡成长时的热平衡方程为:()()()()2220444vfgvcslbvwsxdRdThRRRaTTddxρππλϕπτ=Φ=ΦΦ+−(2.49)δ式中,vΦ:汽泡体积因子;cΦ:过热液层的曲率因子,13cΦ;sΦ:汽泡表面因子,cos12sθ+Φ=,θ为接触角;bϕ:汽泡根部的面积因子,sin24bθϕ=;va:壁面与蒸汽间的换热系数。最终解出:()()exp()()()ππρρδαρ−∞−−−⎧−⎪⋅−⎨−⎪⎩⎫⎡⎤•−+−−⎬⎢⎥⎣⎦ΦΦ∆−Φ−=+Φ⎭Φ1111222212124cslwwslwcvfgvvwsbvfgvlTTtTTterftttTTherfccrtThar(2.50)其中:Rrδ=,24latτδ=,lwaδπτ=⋅为汽泡等待阶段结束时热边界层厚度,wτ为汽泡等待时间。上式包含了接触角θ,wτ等参数的影响,是一个与实验值比较接近的计算式。阶段III:1956年Snyder提出了在加热面与汽泡之间存在一个液体微层的“液体微层汽化概念”。1961年Moore等人通过采用微型热电偶测量壁面温度的波动现象证实这一提法,于是出现了“带有液体微层的汽泡成长模型”。带有液体微层的汽泡成长模型”:假设汽泡成长主要是由于液体微层的蒸发,汽泡半径服从已由实验证实的规律:()nRcττ=(2.51)液体微层汽化所需热量来自壁面通过微层的导热,热平衡方程为:wslfglTTdhdδρλτδ−=−⋅(2.52)式中,δ:是τ时刻,在半径为r处的液体微层厚度。注意:通过微层的导热与加热壁面本身的热物性有关,所以必须考虑壁面的导热性能,分为三种:(1)导热性能很好的理想壁面;(2)导热性能很差的壁面;(3)与液体导热性能相当的壁面。阶段IV:70年代将上述两种模型结合,提出了完整的加热面上的汽泡成长模型。三.汽泡从加热面上的脱离汽泡在加热面上成长到一定大小后,将会在各种力的作用下从壁面脱离进入液体。实验表明,汽泡脱离时的直径和频率与沸腾换热强度有密切关系。1935年Fritz(弗里茨)从分析作用在汽泡上的力平衡出发,第一次得出了汽泡的脱离直径。根据流体静力学原理,对于给定的接触角为θ的一个位于水平表面上的静止汽泡,其受力情况为:()316flvFDdgπρρ=−(a)sin()dFDfσσπθθ=(b)fF:浮升力使汽泡上升,Fσ:使汽泡保持在表面上。在汽泡脱离的瞬间,fFFσ=,由此可得出:FσθDdFf汽泡脱离直径:()(dlvDfgσθρρ=−(2.53)由实验确定出数()fθ,最后可得:.()σθρρ=−00208dlvDg(Fritz公式)(2.54)对大气压力下的水沸腾,Fritz公式基本上正确。在高压或真空状态下,Fritz公式与实验值偏差较大。1964年,Keshock,考虑了汽泡体积膨胀,粘性力,惯性力等作用,结合实验,得出:..()()σθρρτ⎡⎤=+⎢⎥−⎢⎥⎣⎦3200208100025dlvdDDgd(2.55)其中,dDdτ单位是[]/mms,当0dDdτ=时演变为Fritz公式。此后一些学者又研究了系统压力,重力加速度等因素的影响,得出了不同的实验关联公式。

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