簡(jiǎn)諧脈動(dòng)流過冷沸騰換熱特性實(shí)驗(yàn)

劉欣， 馮麗， 袁紅勝， 譚思超

(1.哈爾濱工程大學(xué) 核安全與仿真技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001; 2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213)

浮動(dòng)核電站由于受到風(fēng)浪的影響，反應(yīng)堆主冷卻劑系統(tǒng)流量有可能發(fā)生波動(dòng)，而反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下允許燃料元件表面發(fā)生過冷沸騰，因此有必要對(duì)流量波動(dòng)條件下沸騰換熱特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

目前對(duì)于流動(dòng)沸騰的研究大多集中于飽和沸騰并得到了一系列基于自身實(shí)驗(yàn)工況的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，這些用于計(jì)算流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式可以分為兩種，第一種為基于Chen公式的疊加模型，Chen[1]認(rèn)為在飽和泡核沸騰區(qū)存在兩種換熱模式：泡核沸騰換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱，并根據(jù)Rohsenow[2]提出的流動(dòng)沸騰換熱模型引入對(duì)流換熱增強(qiáng)因子和泡核沸騰抑制因子提出了流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的預(yù)測(cè)關(guān)系式；第二種為L(zhǎng)azarek-Black[3]型關(guān)系式，即認(rèn)為在兩相沸騰區(qū)域一些系統(tǒng)熱工參數(shù)對(duì)沸騰換熱系數(shù)影響較大。其他研究者[4-6]對(duì)于流動(dòng)沸騰的研究及提出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式大多基于以上兩種模型，但以上兩種模型都是基于穩(wěn)定流動(dòng)工況提出的,對(duì)于流量波動(dòng)條件下兩相沸騰換熱特性研究，陳沖等[7-8]針對(duì)流量波動(dòng)條件下窄矩形通道內(nèi)兩相沸騰換熱特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同系統(tǒng)參數(shù)時(shí)穩(wěn)態(tài)和流量波動(dòng)條件下沸騰換熱系數(shù)時(shí)均值相同，并提出了適用于計(jì)算流量波動(dòng)條件下飽和沸騰換熱系數(shù)關(guān)系式。雖然目前對(duì)飽和沸騰已進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于流量波動(dòng)條件下兩相沸騰，尤其是過冷沸騰換熱特性研究還相對(duì)較少。本文主要通過豎直圓管加熱實(shí)驗(yàn)來(lái)研究脈動(dòng)條件下過冷沸騰區(qū)換熱特性及脈動(dòng)參數(shù)對(duì)過冷沸騰換熱特性影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)工況

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為去離子水，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置由實(shí)驗(yàn)回路和冷卻回路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，實(shí)驗(yàn)回路主要由齒輪泵、伺服驅(qū)動(dòng)器、渦輪流量計(jì)、壓力傳感器、壓差傳感器、T型熱電偶、水箱及實(shí)驗(yàn)段組成。本實(shí)驗(yàn)使用加熱棒及冷卻盤管控制入口水溫，通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以改變流量波動(dòng)振幅和周期。實(shí)驗(yàn)段如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)段圓管材質(zhì)為不銹鋼，實(shí)驗(yàn)段通過直流電加熱，加熱段長(zhǎng)度為500 mm。在加熱段上均勻布置有9個(gè)T型熱電偶用來(lái)測(cè)量加熱段外壁溫變化，熱電偶之間距離均為50 mm，其中由下往上依次命名為熱電偶1～9即Tw1～Tw9，而在實(shí)驗(yàn)段進(jìn)出口處分別布置T型熱電偶用以測(cè)量管道中心流體溫度，所用T型熱電偶均為鎧裝熱電偶，外徑為0.5 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 實(shí)驗(yàn)段簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of experimental region

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及可靠性分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)壓強(qiáng)為0.1 MPa，質(zhì)量流速為90～290 kg/(m2·s)，入口水溫為30～90 ℃，脈動(dòng)相對(duì)振幅為0.1、0.2、0.3，脈動(dòng)周期為10、20、30 s。實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)介紹及測(cè)量誤差如表1所示。根據(jù)Taylor[13]標(biāo)準(zhǔn)誤差分析可知，本實(shí)驗(yàn)中對(duì)流換熱系數(shù)誤差在4.4%～7.5%。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)

為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了熱平衡分析、阻力特性及傳熱特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。圖3為熱平衡分析結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于保溫措施良好，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)條件下單相加熱實(shí)驗(yàn)中85.5%的數(shù)據(jù)點(diǎn)的熱效率在95%以上。摩擦阻力系數(shù)與Re數(shù)對(duì)比關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出在層流區(qū)和紊流區(qū)摩擦阻力系數(shù)實(shí)驗(yàn)值和理論值符合良好，誤差基本在5%以內(nèi)。圖5為Nu數(shù)與Re數(shù)關(guān)系圖，從圖中可以看出Nu數(shù)實(shí)驗(yàn)值與Gnielinski公式計(jì)算值偏差基本在10%以內(nèi)。因此，由驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)可知，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

本實(shí)驗(yàn)采用恒定熱流密度加熱，加熱段內(nèi)表面熱流密度為

qw=Peff/(2πriL)

(1)

式中：Peff為有效加熱功率，ri為圓管內(nèi)徑，L為加熱段長(zhǎng)度。

圖3 熱平衡分析Fig.3 Heat equilibrium analyzing

圖4 雷諾數(shù)對(duì)摩擦阻力系數(shù)的影響Fig.4 The effect of Reynold number on the resistance coefficient

圖5 單相傳熱努塞爾數(shù)實(shí)驗(yàn)值與Gnielinski公式計(jì)算值比較Fig.5 Comparison between experiment and Gnielinski calculation for Nusselt number

(2)

式中：Twi和Two分別為內(nèi)、外壁溫，λ為管壁導(dǎo)熱系數(shù)，ro為圓管外徑。

由于采用恒定熱流密度加熱，因此在單相區(qū)和過冷沸騰區(qū)主流溫度近似為線性分布，通過熱平衡方程可以求得單相區(qū)和過冷沸騰區(qū)各點(diǎn)主流溫度:

(3)

式中：M為質(zhì)量流量，cp為流體定壓比熱。

局部對(duì)流換熱系數(shù)可通過牛頓冷卻公式求得

(4)

壁溫與主流溫度之差為

ΔTj=Twi，j-Tf,j

(5)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每秒采集10個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)于脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)工況采集時(shí)間為5個(gè)周期，對(duì)于脈動(dòng)條件下對(duì)流換熱時(shí)均值獲得方法為：先對(duì)流量、溫度等原始數(shù)據(jù)取脈動(dòng)時(shí)均，再應(yīng)用式(4)求得脈動(dòng)條件下對(duì)流換熱系數(shù)的時(shí)均值:

明確流域與區(qū)域權(quán)限劃分和管理范圍，是構(gòu)建合理高效監(jiān)督管理體系的前提；重要水功能區(qū)水質(zhì)考核與入河排污口設(shè)置審批將是水功能區(qū)監(jiān)督管理的核心和切入點(diǎn)，以此從嚴(yán)控制入河排污總量，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)。目前已完成《黃河流域入河排污口管理權(quán)限劃分意見》的協(xié)調(diào)工作并上報(bào)水利部，待上級(jí)批復(fù)后付諸實(shí)施。

(6)

(7)

式中：Nave為時(shí)均參數(shù)，T為脈動(dòng)周期，N為瞬時(shí)參數(shù)，hta為脈動(dòng)條件下時(shí)均對(duì)流換熱系數(shù)。

同一實(shí)驗(yàn)工況下，定義脈動(dòng)時(shí)均對(duì)流換熱系數(shù)與穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱系數(shù)比值為

(8)

式中hs為穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)流換熱系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理及分析

3.1 脈動(dòng)因素對(duì)時(shí)均對(duì)流換熱系數(shù)的影響

在流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)中，過冷沸騰起始點(diǎn)(ONB)的位置通常通過加熱壁面的溫度變化來(lái)確定。具體確定過冷沸騰起始點(diǎn)位置方法有兩種，第一種為軸向壁溫轉(zhuǎn)折法，第二種為單點(diǎn)壁溫轉(zhuǎn)折法，詳細(xì)介紹可見文獻(xiàn)[9]。圖6為熱電偶9處壁面溫度隨內(nèi)表面熱流密度變化，通過第二種方法可以判斷出圖中箭頭指出的點(diǎn)即為過冷沸騰起始點(diǎn)。

圖6 壁面溫度隨內(nèi)表面熱流密度變化Fig.6 Wall temperature varis with heat flux

圖7為脈動(dòng)條件與穩(wěn)態(tài)條件下過冷沸騰區(qū)對(duì)流換熱系數(shù)比值與內(nèi)表面熱流密度關(guān)系圖，圖中A表示脈動(dòng)相對(duì)振幅，T表示脈動(dòng)周期，α表示脈動(dòng)條件與穩(wěn)態(tài)條件下對(duì)流換熱系數(shù)的比值。根據(jù)脈動(dòng)參數(shù)對(duì)換熱的影響可以將過冷沸騰分為兩個(gè)階段。第一階段，內(nèi)表面熱流密度較低，在一個(gè)脈動(dòng)周期的大部分時(shí)間內(nèi)流體處于單相狀態(tài)，過冷沸騰程度較低，因此稱第一階段為過冷沸騰初期，此階段內(nèi)脈動(dòng)振幅或脈動(dòng)周期越大換熱能力越強(qiáng)。第二階段，內(nèi)表面熱流密度較高，在一個(gè)脈動(dòng)周期的大部分或全部時(shí)間內(nèi)流體處于兩相狀態(tài)，過冷沸騰程度劇烈，因此稱第二階段為過冷沸騰后期，此階段脈動(dòng)振幅越大換熱能力越弱，而脈動(dòng)周期對(duì)換熱的影響可能與入口溫度有關(guān)，入口溫度為50 ℃的工況中脈動(dòng)周期對(duì)換熱幾乎沒有影響，入口溫度為70 ℃的工況中由于數(shù)據(jù)點(diǎn)很少，因此無(wú)法判斷脈動(dòng)周期對(duì)換熱的影響，入口溫度為90 ℃的工況中脈動(dòng)周期越大換熱能力越差。從圖7可以看出入口水溫為70 ℃和90 ℃的過冷沸騰工況數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，因?yàn)槿肟谒疁剌^高條件下發(fā)生過冷沸騰時(shí)主流溫度已接近飽和溫度，加熱功率的可調(diào)節(jié)范圍比較狹窄，因此本文中選擇入口水溫為50 ℃的工況進(jìn)一步分析脈動(dòng)參數(shù)對(duì)換熱的影響。

圖7 α隨內(nèi)表面熱流密度變化(G=286.3 kg/m2·s)Fig.7 α varies with heat flux(G=286.3 kg/m2·s)

脈動(dòng)條件下對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)均值隨壁溫與主流溫度之差的對(duì)比關(guān)系如圖8所示。圖8(a)為不同脈動(dòng)振幅條件下對(duì)流換熱系數(shù)曲線。通過過冷沸騰起始點(diǎn)的判斷可以得出，圖中對(duì)流換熱系數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)即為脈動(dòng)條件下過冷沸騰起始點(diǎn)，因此圖中曲線的負(fù)斜率區(qū)域即為過冷沸騰換熱區(qū)。本實(shí)驗(yàn)中通過逐漸增加加熱功率以研究不同內(nèi)表面熱流密度條件下脈動(dòng)參數(shù)的影響。當(dāng)內(nèi)表面熱流密度為117 kW/m2時(shí)，脈動(dòng)振幅越大時(shí)均對(duì)流換熱系數(shù)越高，并且隨著內(nèi)表面熱流密度的進(jìn)一步提高三條曲線逐漸靠攏，說(shuō)明不同脈動(dòng)振幅下對(duì)流換熱系數(shù)差值隨著內(nèi)表面熱流密度的增加而減小。當(dāng)內(nèi)表面熱流密度增加到151 kW/m2時(shí)，脈動(dòng)振幅對(duì)換熱的影響與此前工況不同，此時(shí)脈動(dòng)振幅越大時(shí)均對(duì)流換熱系數(shù)越低，并且當(dāng)內(nèi)表面熱流密度進(jìn)一步提高到183 kW/m2時(shí)，脈動(dòng)振幅對(duì)換熱的影響保持不變，即脈動(dòng)振幅越大對(duì)流換熱系數(shù)越低。

圖8(b)為不同脈動(dòng)周期條件下對(duì)流換熱系數(shù)曲線。在過冷沸騰初期，當(dāng)內(nèi)表面熱流密度為106 kW/m2時(shí)，脈動(dòng)周期越長(zhǎng)對(duì)流換熱系數(shù)越大。在此階段，脈動(dòng)周期對(duì)換熱的影響可能有兩方面，第一，脈動(dòng)周期影響壁面與流體間換熱進(jìn)行程度，脈動(dòng)周期較小時(shí)導(dǎo)致?lián)Q熱不充分，使得壁面溫度比脈動(dòng)周期較大時(shí)低，而壁面溫度是影響核化點(diǎn)產(chǎn)生及汽泡生長(zhǎng)的重要因素，因此脈動(dòng)周期較短可能削弱過冷沸騰強(qiáng)度，對(duì)流換熱系數(shù)隨著周期的變長(zhǎng)而增大。第二，脈動(dòng)周期影響流體慣性力的大小，脈動(dòng)周期越小流體所受慣性力越大，而壁面核化點(diǎn)處汽泡的脫離將受到液體剪切力的影響，因此脈動(dòng)周期越短，壁面核化點(diǎn)處汽泡所受剪切力越大，進(jìn)而越容易逸離壁面從而增強(qiáng)對(duì)熱邊界層內(nèi)流體的擾動(dòng)。從過冷沸騰初期數(shù)據(jù)可以看出，脈動(dòng)周期主要影響壁面與流體間換熱進(jìn)行程度，而汽泡對(duì)熱邊界層的擾動(dòng)作用相比于過冷沸騰可忽略，因此脈動(dòng)周期越長(zhǎng)對(duì)流換熱系數(shù)越大。當(dāng)內(nèi)表面對(duì)流換熱系數(shù)增加到127 kW/m2后，三條曲線基本重合在一起，此時(shí)脈動(dòng)周期已不再是影響時(shí)均對(duì)流換熱系數(shù)的重要因素，其原因可能為隨著內(nèi)表面熱流密度的增大，過冷沸騰換熱程度增加導(dǎo)致?lián)Q熱強(qiáng)度的提高，因此在脈動(dòng)周期為10、20和30 s的工況中壁面與流體間均能充分換熱，因此脈動(dòng)周期不再成為影響換熱的主要因素。

3.2 脈動(dòng)因素對(duì)瞬時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)的影響

圖9為脈動(dòng)振幅對(duì)過冷沸騰區(qū)實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)影響圖，其中較為光滑的正弦曲線為質(zhì)量流速，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)隨流量波動(dòng)而波動(dòng)，并伴隨著一定的不穩(wěn)定現(xiàn)象，在圖中以散點(diǎn)符號(hào)形式給出。從圖中可以看出實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)呈現(xiàn)出兩種形式的波動(dòng)，當(dāng)質(zhì)量流速較高時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)波動(dòng)較為平緩，此時(shí)換熱由單相對(duì)流換熱主導(dǎo)；當(dāng)質(zhì)量流速較低時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)增大且波動(dòng)劇烈，在實(shí)驗(yàn)過程中也能聽到因汽泡急劇冷凝產(chǎn)生的聲音，此時(shí)換熱由過冷沸騰換熱主導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)中脈動(dòng)條件下的內(nèi)壁溫采用穩(wěn)態(tài)公式計(jì)算因而會(huì)產(chǎn)生一定誤差，但由于瞬態(tài)換熱分析均為定性分析，因此對(duì)于實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)的分析結(jié)果仍是可以接受的。

圖8 脈動(dòng)條件下對(duì)流換熱系數(shù)隨壁溫與主流溫度之差變化 (Tin=50 ℃，G=286.3 kg/m2·s)Fig.8 Heat transfer coefficient varies with the difference between wall temperature and bulk temperature (Tin=50 ℃，G=286.3 kg/m2·s)

圖9脈動(dòng)振幅對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)影響(Tin=50℃，G=286.3kg/m2·s)
Fig.9Theeffectofpulsatingamplitudeonheattransfer(Tin=50℃，G=286.3kg/m2·s)

圖9(a)工況中內(nèi)表面熱流密度較低，在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)流體與壁面間主要的換熱方式由單相強(qiáng)制對(duì)流換熱與泡核沸騰換熱交替主導(dǎo)。在高流量區(qū)，換熱主要依靠單相強(qiáng)制對(duì)流換熱，質(zhì)量流速越大，流體的橫向攪混能力及湍流程度越高，因此在高流量區(qū)脈動(dòng)振幅越大對(duì)流換熱系數(shù)越高。在低流量區(qū)，換熱主要依靠泡核沸騰換熱，此時(shí)脈動(dòng)振幅越大，實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)波動(dòng)越劇烈。一方面，脈動(dòng)振幅越大，流體能達(dá)到的質(zhì)量流速的最小值越小，因此在相同加熱功率條件下壁面溫度越高，汽化核心數(shù)及汽化頻率提高，泡核沸騰程度越劇烈；另一方面，脈動(dòng)振幅越大流體慣性力越大，因此汽泡所受切應(yīng)力也相應(yīng)增大，根據(jù)泡核沸騰機(jī)理模型中的氣泡攪動(dòng)機(jī)理和氣液交換機(jī)理可知[10]，切應(yīng)力的增大可能增強(qiáng)泡核沸騰換熱過程，由此在低流量區(qū)脈動(dòng)振幅的增加將強(qiáng)化泡核沸騰換熱。

隨著內(nèi)表面熱流密度的增加，從圖9(b)三組脈動(dòng)工況的實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)波動(dòng)曲線可以看出，幾乎在整個(gè)流量波動(dòng)范圍內(nèi)都已發(fā)生過冷沸騰。在低流量區(qū)，流體基本處于低欠熱沸騰或飽和沸騰狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]研究結(jié)果表明，此時(shí)質(zhì)量流速已經(jīng)不是影響沸騰換熱的主要因素[10]，從圖中也可以看出脈動(dòng)振幅的增大時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)的增大趨勢(shì)不如圖9(a)中明顯。在高流量區(qū)，脈動(dòng)相對(duì)振幅為0.3時(shí)在流量波動(dòng)最高點(diǎn)處對(duì)流換熱系數(shù)保持在4 000 W/m2·K左右，而且從對(duì)流換熱系數(shù)波動(dòng)的劇烈程度可以推斷此時(shí)換熱主要依靠單相強(qiáng)制對(duì)流。而脈動(dòng)相對(duì)振幅為0.1和0.2的工況中，在流量最高點(diǎn)處均已發(fā)生過冷沸騰，因此在高流量區(qū)時(shí)脈動(dòng)振幅越小過冷沸騰越劇烈，對(duì)流換熱系數(shù)越高。

圖10為脈動(dòng)周期對(duì)過冷沸騰區(qū)實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)影響圖,其中較為光滑的正弦曲線為質(zhì)量流速，對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)隨流量波動(dòng)而波動(dòng)，并伴隨著一定的不穩(wěn)定現(xiàn)象，在圖中以散點(diǎn)符號(hào)形式給出。從圖10(a)可以看出，當(dāng)內(nèi)表面熱流密度較低時(shí)，在一個(gè)脈動(dòng)周期中換熱是由單相強(qiáng)制對(duì)流換熱和過冷泡核沸騰換熱交替主導(dǎo)的。在高流量區(qū)，換熱主要依靠單相強(qiáng)制對(duì)流換熱，從圖中可以看出脈動(dòng)周期對(duì)于單相強(qiáng)制對(duì)流換熱影響較小。在低流量區(qū)，脈動(dòng)周期影響過冷沸騰發(fā)生的劇烈程度，從圖中可以看出脈動(dòng)周期越長(zhǎng)，過冷沸騰越劇烈。脈動(dòng)周期一方面影響流體與壁面間換熱進(jìn)行程度，由于流量較低時(shí)流體不能及時(shí)帶走壁面的熱量，導(dǎo)致壁面溫度上升，當(dāng)脈動(dòng)周期較小時(shí)，壁面可能還未上升到能夠發(fā)生過冷沸騰的溫度時(shí)就由于流量的上升導(dǎo)致壁面冷卻，因此脈動(dòng)周期越長(zhǎng)，壁面溫度所能達(dá)到的過熱度越高，壁面核化點(diǎn)數(shù)及汽泡脫離頻率也會(huì)增加，過冷沸騰程度越劇烈；另一方面，由文獻(xiàn)[12]研究可知，脈動(dòng)周期將影響汽泡所受剪切力，脈動(dòng)周期越小流體慣性力越大因而汽泡所受剪切力越大，汽泡對(duì)流體的擾動(dòng)作用越強(qiáng)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，脈動(dòng)周期對(duì)流體與壁面間換熱進(jìn)行程度的影響占主要地位，因此在低流量區(qū)脈動(dòng)周期越長(zhǎng)，對(duì)流換熱系數(shù)越大。

圖10脈動(dòng)周期對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)影響(Tin=50℃，G=286.3kg/m2·s)
Fig.10Theeffectofpulsatingperiodonheattransfer(Tin=50℃，G=286.3kg/m2·s)

隨著內(nèi)表面熱流密度的增加，過冷沸騰越來(lái)越劇烈，從圖10(b)中曲線波動(dòng)情況可以看出，三組脈動(dòng)周期工況中過冷沸騰換熱均已成為主要換熱方式。在高流量區(qū)，流量提高導(dǎo)致壁面冷卻作用增強(qiáng)，進(jìn)而抑制了壁面核化點(diǎn)的產(chǎn)生，周期越長(zhǎng)其抑制作用越明顯，相比于其他兩個(gè)脈動(dòng)工況，脈動(dòng)周期為10 s的實(shí)時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)波動(dòng)較劇烈，基本處于過冷沸騰換熱區(qū)，而脈動(dòng)周期為20 s和30 s的實(shí)驗(yàn)工況中，其對(duì)流換熱系數(shù)基本維持在4 000 W/m2·k，而且從曲線波動(dòng)形態(tài)可以推斷，此時(shí)換熱主要依靠單相強(qiáng)制對(duì)流，因此，在一定脈動(dòng)周期范圍內(nèi)，脈動(dòng)周期越大換熱能力越弱，當(dāng)脈動(dòng)周期增大到一定程度時(shí)，脈動(dòng)周期不再成為影響換熱的因素。在低流量區(qū)，脈動(dòng)周期對(duì)換熱的影響與圖10(a)中脈動(dòng)周期在低流量區(qū)的影響基本相同，但由于此時(shí)過冷沸騰換熱強(qiáng)度很高，因此脈動(dòng)周期對(duì)于換熱的影響沒有圖10(a)中顯著。

4 結(jié)論

1)脈動(dòng)參數(shù)對(duì)時(shí)均對(duì)流換熱系數(shù)的影響與發(fā)生過冷沸騰程度有關(guān)。過冷沸騰初期，脈動(dòng)振幅或脈動(dòng)周期的增大均能提高換熱能力；過冷沸騰后期，脈動(dòng)振幅越大換熱能力越弱，而脈動(dòng)周期不再成為影響換熱的主要因素。

2)脈動(dòng)振幅對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)流換熱的影響：過冷沸騰初期，脈動(dòng)振幅的增大在整個(gè)流量波動(dòng)周期內(nèi)均強(qiáng)化換熱；過冷沸騰后期，在高流量區(qū)脈動(dòng)振幅削弱換熱，在低流量區(qū)強(qiáng)化換熱。

3)脈動(dòng)周期對(duì)實(shí)時(shí)對(duì)流換熱的影響：過冷沸騰初期，在高流量區(qū)脈動(dòng)周期對(duì)換熱沒有顯著影響，在低流量區(qū)脈動(dòng)周期增大強(qiáng)化換熱；過冷沸騰后期，在高流量區(qū)脈動(dòng)周期增大強(qiáng)化換熱，在低流量區(qū)脈動(dòng)周期削弱換熱，但相比于過冷沸騰初期，此時(shí)脈動(dòng)周期對(duì)換熱的影響減小。

4)脈動(dòng)參數(shù)對(duì)于過冷沸騰換熱特性的影響機(jī)理主要包括：脈動(dòng)振幅主要通過改變流量波動(dòng)范圍影響過冷沸騰換熱程度，脈動(dòng)周期主要通過改變流體與壁面間換熱進(jìn)行程度來(lái)影響過冷沸騰換熱程度；而由于流體慣性力改變導(dǎo)致汽泡所受切向力的變化對(duì)于過冷沸騰換熱的影響在本實(shí)驗(yàn)中可以忽略。

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本文引用格式：

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