池沸騰噪聲產(chǎn)生機理研究及其控制技術

梅長云 劉豐收 劉華 付天琳 常見虎 許志華

1.美的集團生活電器事業(yè)部 廣東佛山 528300；2.美的集團冰箱事業(yè)部 安徽合肥 230601

1 引言

沸騰作為一種常見的物理學現(xiàn)象，在劇烈的傳熱及傳質(zhì)過程中伴隨大量氣泡的產(chǎn)生、聚并、脫離、破裂等現(xiàn)象[1,2]。以液態(tài)水為工質(zhì)的池沸騰在家電領域有著非常重要的應用價值，如電水壺燒水過程、飲水機加熱燒水過程等。隨著加熱技術的發(fā)展，加熱功率呈不斷增大的趨勢，甚至超過2000 W，而燒水過程常伴隨有巨大的沸騰噪聲，導致消費者對產(chǎn)品的體驗變差，同時產(chǎn)生大量的用戶投訴。國內(nèi)外學者主要從傳熱特性研究、數(shù)值模擬、傳熱實驗研究等方向?qū)Τ胤序v傳熱機理進行了大量研究[3-5]。近年來，具有獨特浸潤性的表面在沸騰傳熱領域的應用也越來越多地受到人們的關注，但對池沸騰過程中產(chǎn)生噪聲問題的機理卻鮮有研究。因此本文從氣泡演變過程與噪聲的關系為主軸，并結合表面接觸角對氣泡分離的影響分析，對池沸騰噪聲產(chǎn)生機理進行了研究，同時通過控制表面接觸角，達到抑制噪聲的目的。

2 池沸騰噪聲產(chǎn)生機理分析

2.1 池沸騰噪聲

本文以功率為2000 W，直徑為120 mm，高度為300 mm的圓柱池為研究對象，其中圓柱池采用常用的304不銹鋼材質(zhì)，熱源為環(huán)形發(fā)熱管，環(huán)形發(fā)熱管與圓柱池焊接，工質(zhì)為純凈水。

池沸騰過程可分為四個階段，如圖1所示，自然對流階段：壁溫tw＜104℃，壁面無氣泡，壁面和水之間傳熱依靠自然對流。核態(tài)沸騰階段：壁溫104℃≤tw≤140℃，氣化核心在加熱區(qū)產(chǎn)生，并迅速生長，氣泡大量出現(xiàn)，傳熱性能達到峰值。過渡沸騰階段：壁溫140℃≤tw≤300℃，氣泡繼續(xù)生長，出現(xiàn)較大氣塊且極不穩(wěn)定，傳熱性能下降。膜態(tài)沸騰階段：壁溫tw＞300℃，加熱表面覆蓋穩(wěn)定氣膜，傳熱性能最差。

圖1 沸騰q-Δt曲線

沸騰產(chǎn)生的噪聲過程主要與自然對流、核態(tài)沸騰兩個階段相關。如圖2所示，水溫呈線性遞增趨勢，隨著水溫升高，噪聲先增加后降低。T0時刻前，噪聲增長趨勢與壁溫類似，增長率基本一致，壁溫小于100℃（水沸點），無沸騰現(xiàn)象發(fā)生，傳熱靠自然對流，噪聲低于50 dB(A)；T0時刻后，壁溫達到104℃以上，沸騰從自然對流階段進入核態(tài)沸騰階段，T0-T1期間，沸騰處于初始核態(tài)沸騰，氣泡尺度較小，換熱效率高，壁溫增高放緩，由于小尺度氣泡的破裂，噪聲持續(xù)增加；T1-T2期間，氣泡生長為大氣泡，并大量破裂，噪聲保持峰值狀態(tài)；T2時刻后氣泡匯聚呈大氣塊，沸騰噪聲呈下降趨勢。

圖2 溫度與噪聲時域圖

2.2 氣泡演變過程

為進一步研究氣泡演變過程與噪聲的關系，如圖3所示，借助高速攝像機觀察不同溫度點氣泡形態(tài)，隨著水溫的升高，氣泡直徑呈增大的趨勢。水溫35℃時，氣泡直徑約1～2 mm，由于體積小，其浮力小于附著力，氣泡粘附于壁面并保持穩(wěn)定狀態(tài)，氣泡破裂量較少，噪聲較小，聲功率處于30～40 dB(A)水平。隨著溫度升高至55℃，氣泡體積逐漸膨脹，直徑生長為3～5 mm，氣泡大量脫落并上升破裂，氣泡上升距離1～5 mm，噪聲達到最大值，聲功率處于65～70 dB(A)水平。當溫度上升至75℃，氣泡體積進一步膨脹，直徑生長至5～10 mm，氣泡維持脫落并上升破裂，氣泡上升距離5～10 mm，噪聲維持較高值，聲功率處于65～70 dB(A)水平。當水溫繼續(xù)上升，氣泡直徑持續(xù)長大并伴隨氣泡的合并，形成較大的氣塊，雖然氣塊尺度達到15 mm以上，但是水溫已達90～95℃，氣泡與工質(zhì)的溫差較小，在氣泡上升過程中，氣泡體積出現(xiàn)小尺度的縮小，大量大氣塊沒有在水中破裂，并浮出水面，沸騰噪聲開始降低，聲功率降至60 dB(A)左右。

圖3 不同溫度點氣泡形態(tài)圖

氣泡的產(chǎn)生、聚并、脫離，并在底壁或水體內(nèi)破裂是產(chǎn)生沸騰噪聲的主要原因，如圖4所示，截取水溫55℃時的單一氣泡形態(tài)圖，觀察單一氣泡產(chǎn)生、成長、潰滅過程。池沸騰過程中產(chǎn)生大量的氣泡，圖4a)～e)展示了氣泡產(chǎn)生并生長到體積最大的過程，初始階段氣泡產(chǎn)生并吸熱長大，氣泡繼續(xù)膨脹長大，氣泡受到的浮力也相應增加，當氣泡浮力大于其與壁面的表面張力時，氣泡脫離壁面并上升。圖4f)～j)展示了氣泡逐漸縮小，脫離底壁并潰滅的過程。氣泡內(nèi)飽和蒸汽溫度大于液體溫度，氣泡與液體出現(xiàn)熱交換，導致氣泡內(nèi)部蒸汽壓力急劇下降，同時氣泡表面張力增大，氣泡快速縮小并進一步潰滅。形成巨大的沖擊壓力，氣泡急劇脫離壁面并快速破裂產(chǎn)生噪聲。

圖4 單一氣泡形態(tài)圖

3 氣泡形態(tài)與控制研究

3.1 氣泡受力分析

Fritz[6,7]認為表面張力與浮力是影響氣泡與壁面脫離的關鍵因素，根據(jù)流體靜力學，氣泡受力如圖5所示，其中Fb為氣泡受到的向上浮力，F(xiàn)s為氣泡表面張力垂直向下的分力，F(xiàn)為表面張力，γ為表面張力系數(shù)，θ為氣泡與壁面的接觸角，R為氣泡直徑，V為氣泡體積。

圖5 氣泡受力圖

如圖6所示為接觸角θ與氣泡半徑R關系，隨著接觸角的增加，氣泡半徑呈增大趨勢。

圖6 接觸角與氣泡半徑關系

氣泡的產(chǎn)生、聚并、脫離，并在底壁或水體內(nèi)破裂是產(chǎn)生沸騰噪聲的主要原因，抑制沸騰噪聲的有效方法是從聲源方向控制，即減少氣泡破裂量。壁面潤濕性對沸騰傳熱都有著重要的影響，而沸騰傳熱與氣泡的狀態(tài)有密切的關系，接觸角大小可控制氣泡尺度，進而抑制噪聲大小。因此本文通過仿真與實驗結合的方法研究底壁不同親/疏水性質(zhì)對氣泡成長、脫落的影響。

3.2 氣泡生長數(shù)值模擬

3.2.1 模型及數(shù)值方法

計算區(qū)域采用40 mm×80 mm，計算區(qū)域?qū)挾却笥? Dmax，消除壁面干擾，Dmax為計算氣泡的最大脫離直徑，采用0.1 mm的均勻結構網(wǎng)格[8]。采用VOF方法對氣泡脫離行為進行數(shù)值模擬，結合蒸發(fā)冷凝、壁面粘附及表面張力模型，研究底壁接觸角θ對氣泡尺度及脫離時間的影響，接觸角示意圖如圖7。為提高相間界面的清晰度，采用Geo-Reconstruct方案離散體積方程，采用PISO壓力耦合方案，步長1E-5 s。

圖7 底壁接觸角示意圖

3.2.2 仿真結果與討論

為研究底壁接觸角θ對氣泡生長及脫離的影響，采用親水（靜態(tài)接觸角為50°、70°），中性（靜態(tài)接觸角為90°），疏水（靜態(tài)接觸角為110°、130°、150°）等6種不同接觸角進行氣泡仿真。圖8為不同接觸角氣泡生長脫離過程圖，氣泡體積不斷增大并出現(xiàn)縮頸及脫離現(xiàn)象。氣泡生長前期，親水底壁（靜態(tài)接觸角為50°、70°）氣泡呈球狀生長，疏水底壁（靜態(tài)接觸角為110°、130°、150°）氣泡呈球冠狀生長，特別是隨著靜態(tài)接觸角的不斷提升，由于底壁已呈憎水性，表面張力占據(jù)主導地位，氣泡緊貼底壁擴展并生長。氣泡生長中期，氣泡進一步長大，隨著底壁接觸角的增加，氣泡生長周期變長。氣泡生長后期，氣泡開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，繼續(xù)生長后，氣泡浮力大于表面張力向下分量，氣泡開始脫離底壁。

圖8 不同接觸角氣泡生長脫離過程圖

通過2維VOF仿真，統(tǒng)計氣泡脫離時間及脫離后氣泡面積，利用氣泡面積表征氣泡尺度大小，研究不同接觸角下氣泡尺度及脫離時間關系。如圖9所示，隨著底壁接觸角的不斷增加，氣泡脫離時間呈遞增趨勢，由120 ms（靜態(tài)接觸角為50°）逐漸增加為243 ms（靜態(tài)接觸角為150°），脫離后氣泡面積呈遞增趨勢，由2.4E-5 m2（靜態(tài)接觸角為50°）逐漸增加為4.8E-5 m2（靜態(tài)接觸角為150°）。底壁呈親水性時，氣泡脫離時間短，脫離頻率較快，有利于氣泡從其生長壁面脫離，氣泡脫離量增多；而疏水性的壁面則會使得氣泡附著在底面上，氣泡脫離尺度增大，脫離時間增長，氣泡脫離頻率較慢，不利于氣泡脫離，氣泡脫離量減少。如圖10所示為親/疏水底壁氣泡圖，通過調(diào)整接觸角大小控制氣泡尺度，進而抑制氣泡脫離量，減少氣泡破裂量，達到降低池沸騰噪聲的目的。

圖9 氣泡脫離時間、面積與接觸角關系圖

圖10 親/疏水底壁氣泡圖

4 噪聲控制及實驗驗證

4.1 接觸角測試設備

如圖11所示為滴液法接觸角測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學成像系統(tǒng)、精密滴定系統(tǒng)、試驗臺及光源。如圖12所示為接觸角實測圖，通過在底壁控制涂覆親水或疏水涂層的量來達到不同親水與疏水的效果，分別實現(xiàn)53.9°、71.5°的親水性表面，89.6°的中性表面及105.1°、117.9°的疏水性表面。

圖11 接觸角測試系統(tǒng)圖

圖12 接觸角實測圖

4.2 噪聲測試設備

如圖13所示為半消聲室及LMS振動噪聲測試系統(tǒng)，半消音室需滿足被測噪聲級與按各傳聲器位置處的平均值相比，背景噪聲級比所測聲壓級低15 dB以上的指標。采用半球面十點測試法測試，測量表面為半球面，半徑r為1.0 m，10個BK聲學傳感器依據(jù)國標安裝在半球面上。針對以上五種不同接觸角表面（53.9°、71.5°的親水性表面，89.6°的中性表面及105.1°、117.9°的疏水性表面），分別采集池沸騰從通電到水沸騰過程的噪聲數(shù)據(jù)，取最大聲功率。

圖13 半消聲室及LMS振動噪聲測試系統(tǒng)

4.3 接觸角與噪聲

圖14為接觸角與最大聲功率的關系圖，隨著接觸角的增加，最大聲功率呈遞減趨勢。底壁呈親水性時，氣泡脫離時間短，有利于氣泡從其生長壁面脫離；而疏水性的壁面則會使得氣泡附著在底面上，氣泡脫離尺度增大，不利于氣泡脫離，氣泡脫離量減少。驗證了通過調(diào)整接觸角大小控制氣泡尺度，進而抑制氣泡脫離量，減少氣泡破裂量，達到降低池沸騰噪聲的目的。

圖14 接觸角與噪聲關系圖

5 結果與討論

（1）對池沸騰噪聲產(chǎn)生機理進行了分析，氣泡急劇脫離壁面并快速破裂產(chǎn)生噪聲，而氣泡破裂噪聲是沸騰噪聲的主要聲源。沸騰產(chǎn)生噪聲的過程主要與自然對流、核態(tài)沸騰兩個階段相關，水溫呈線性遞增趨勢，隨著水溫升高，噪聲呈先增加后降低趨勢。

（2）從氣泡動力學角度對氣泡受力進行了分析，確定底壁接觸角與氣泡半徑的關系，隨著接觸角的增加，氣泡半徑呈增大趨勢。

（3）采用VOF方法對氣泡脫離行為進行數(shù)值模擬，研究底壁接觸角對氣泡尺度及脫離時間的影響，不同接觸角均出現(xiàn)氣泡體積不斷增大并出現(xiàn)縮頸及脫離現(xiàn)象。底壁呈親水性時，氣泡脫離時間短，氣泡脫離量增多；而疏水性的壁面則會使得氣泡附著在底面上，氣泡脫離尺度增大，脫離時間增長，不利于氣泡脫離，氣泡脫離量減少。

（4）隨著接觸角的增加，最大聲功率呈遞減趨勢。通過接觸角及噪聲實驗，驗證了調(diào)整接觸角大小控制氣泡尺度，進而抑制氣泡脫離量，減少氣泡破裂量，達到降低池沸騰噪聲的目的。