加熱表面上氣泡傳熱及動(dòng)力學(xué)特性的LBM模擬.pdf

1、氣泡的運(yùn)動(dòng)、變形長(zhǎng)大是氣液兩相流及傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域中十分重要的現(xiàn)象，對(duì)氣泡傳熱及動(dòng)力學(xué)特性的研究也是氣液兩相流及傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的重要課題。一般來(lái)講，根據(jù)所處環(huán)境的不同，氣液兩相流可以分為等溫和非等溫系統(tǒng)。在等溫系統(tǒng)中，壓力主導(dǎo)氣液界面的非穩(wěn)定變形，不涉及相變。而在非等溫系統(tǒng)中，相變主導(dǎo)氣泡變形且伴隨界面處的傳熱傳質(zhì)。氣泡現(xiàn)象在自然界和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中廣泛存在。例如:制冷系統(tǒng)中制冷劑的循環(huán)過(guò)程;液壓系統(tǒng)的氣穴現(xiàn)象;天然氣的開(kāi)采和運(yùn)輸以及沸騰現(xiàn)象等

2、。研究氣泡動(dòng)力學(xué)特性和傳熱傳質(zhì)機(jī)理有助于工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)及操作。因此，對(duì)氣液兩相流及傳熱傳質(zhì)的研究受到越來(lái)越多的重視。
　　格子Boltzmann方法作為一種新興的數(shù)值方法，具有并行能力強(qiáng)，物理圖像清晰，邊界條件易處理等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，在氣液兩相流問(wèn)題的研究上體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢(shì)和很強(qiáng)的適應(yīng)性。本文以氣液兩相流為研究對(duì)象，應(yīng)用格子Boltzmann方法，對(duì)氣泡分別在等溫和非等溫環(huán)境中的動(dòng)力學(xué)特性和傳熱傳質(zhì)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究。所獲結(jié)果不

3、僅為格子Boltzmann方法在兩相流領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了一些探索，也為相關(guān)領(lǐng)域的理論和實(shí)驗(yàn)研究提供了有意義的參考。
　　首先，為了驗(yàn)證格子Boltzmann方法用于研究等溫系統(tǒng)氣液兩相流的適用性，基于自由能模型，模擬了氣泡群在黏性不可壓縮流體中的上升過(guò)程。由于氣液密度比過(guò)大容易造成數(shù)值不穩(wěn)定問(wèn)題，本文采用精度更高的八點(diǎn)差分和十八點(diǎn)差分格式以避免產(chǎn)生數(shù)值震蕩。在此基礎(chǔ)上對(duì)氣泡群的流動(dòng)特點(diǎn)和相互作用規(guī)律進(jìn)行數(shù)值研究。模擬結(jié)果表明氣泡之間

4、的影響程度不僅取決于相對(duì)位置和距離，還取決于相對(duì)體積的大小。另外，鑒于自由能模型在處理界面時(shí)的特點(diǎn)，該方法可以向非等溫系統(tǒng)的氣液兩相流推廣應(yīng)用。
　　為了進(jìn)一步研究格子Boltzmann方法的傳熱模型，本文對(duì)單相流體在三角形和矩形結(jié)構(gòu)表面的流動(dòng)特性和換熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究，探索格子Boltzmann方法在解決傳熱問(wèn)題中的可行性。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的平均溫度、出口溫度和壁面平均Nu數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)，矩形結(jié)構(gòu)表面具有較好的對(duì)流換熱性能。在場(chǎng)協(xié)同原

5、理基礎(chǔ)上對(duì)該結(jié)論進(jìn)行分析。數(shù)值結(jié)果不僅證明了格子Boltzmann方法適用于研究對(duì)流換熱問(wèn)題，還為等溫兩相流推廣到非等溫系統(tǒng)的研究奠定基礎(chǔ)。
　　聯(lián)合上述自由能模型和熱模型，可以構(gòu)造一個(gè)能夠描述相變的格子Boltzmann復(fù)合模型，本文應(yīng)用該模型對(duì)蒸汽泡在水平和豎直加熱表面上的行為機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值研究。詳細(xì)地討論了不同沸騰狀態(tài)下氣泡的動(dòng)力學(xué)特性及傳熱傳質(zhì)機(jī)理。模擬結(jié)果表明，當(dāng)水平壁面發(fā)生核態(tài)沸騰時(shí)，微對(duì)流對(duì)氣泡的生長(zhǎng)過(guò)程起到非常關(guān)鍵

6、的作用。當(dāng)水平壁面發(fā)生流動(dòng)沸騰時(shí)，熱量主要以核態(tài)沸騰和強(qiáng)制對(duì)流的方式傳遞。對(duì)多氣泡在豎直壁面上生長(zhǎng)過(guò)程的研究表明，過(guò)渡沸騰是一個(gè)膜態(tài)沸騰和核態(tài)沸騰在加熱壁面上交替進(jìn)行的過(guò)程。對(duì)氣泡脫離直徑和脫離頻率的研究呈現(xiàn)了正確的參數(shù)關(guān)聯(lián)。
　　借鑒二維模型處理氣液相變時(shí)的思路，本文提出一個(gè)新的三維格子Boltzmann相變模型。應(yīng)用新模型在三維條件下模擬了單氣泡和雙氣泡在水平壁面上生長(zhǎng)、融合及脫離的過(guò)程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。數(shù)值結(jié)果準(zhǔn)確、清晰地

7、展現(xiàn)了沸騰過(guò)程中氣泡的動(dòng)力學(xué)特性，證實(shí)了新模型模擬沸騰現(xiàn)象的準(zhǔn)確性和可行性。
　　最后，利用格子Boltzmann方法在處理復(fù)雜邊界時(shí)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)氣泡在不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化表面上的生長(zhǎng)過(guò)程及傳熱傳質(zhì)機(jī)理進(jìn)行數(shù)值研究。詳細(xì)討論了氣泡當(dāng)量直徑、脫離頻率以及平均Nu數(shù)對(duì)沸騰過(guò)程中氣泡動(dòng)力學(xué)特性和傳熱傳質(zhì)的影響。數(shù)值結(jié)果表明，T型強(qiáng)化表面具有最好的換熱性能;而水平壁面具有最低的換熱性能。在此基礎(chǔ)上，分析了強(qiáng)化表面能夠增強(qiáng)核態(tài)沸騰熱傳遞的原因。