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液位对微结构铜表面池沸腾的影响研究
| 论文题名： | 液位对微结构铜表面池沸腾的影响研究 |
| 关键词： | 船用换热设备;微结构铜表面;沸腾换热;气泡扰动 |
| 摘要： | 沸腾换热目前在船用换热设备中被广泛使用，提高沸腾换热效果一直是研究热点，也是节能减排的重要手段。本文对低液位影响池沸腾换热系数采用数值模拟进行初步探究，然后采用微结构铜表面进行系统地实验研究，其中实验研究包含了微结构铜表面饱和池沸腾实验和过冷池沸腾实验，以总结液位对池沸腾换热的影响机理。 本文首先采用数值模拟方式，对液位降低影响沸腾换热进行初步分析。在COMSOL Multiphysics软件中建立了二维瞬态模型，对不同液位下饱和池沸腾进行研究，分别计算了液位高度为30mm、25mm、20mm、15mm、10mm、5mm时的沸腾传热系数、工作水平均温度、工作水平均速度及速度分布，模拟结果表明液位降低可提高沸腾传热系数、工作水平均温度及平均速度，初步判断低液位提高工作水扰动是提高池沸腾换热系数的一个原因。 低液位池沸腾实验包括了饱和沸腾实验和过冷沸腾实验，其中过冷沸腾实验的过冷度分别控制在20℃和40℃，换热表面使用了铜表面和微结构A、B两个表面。微结构表面采用了两步电镀法，在改变第一步电流密度（分别为1.1A/cm2和1A/cm2）的情况下制备出具有不同微结构和润湿特性的A、B两个表面，其中A表面微结构为菜花状，具有超疏水特性，B表面为菜花状和三角状结构的结合，具有疏水特性。后将三个表面应用于低液位池沸腾实验研究中，饱和沸腾实验结果发现，液位降低时在较低加热功率情况下三个表面的沸腾传热系数都有升高趋势，但亲水特性的铜表面沸腾传热系数提高较为显著，原因在于较低加热功率时亲水表面气泡尺寸较大，气液界面形成的超大气泡对气泡脱离产生抑制作用，而A、B表面气泡尺寸较小，超大气泡仅加剧了流体扰动；而在较高热流密度情况下沸腾传热系数提升效果较为微弱，原因在于在较高热流密度情况下，三个表面气泡尺寸都有所增加，且A、B两个表面气泡尺寸要大于铜表面，三个表面在较高液位时水面附近就形成超大气泡，液位降低对气泡脱离抑制效果不明显。 过冷沸腾与饱和沸腾结果不同，液位降低并未明显提高沸腾传热系数，三个表面的传热系数在40℃过冷度情况下还出现了降低的情况。主要原因为，过冷情况下液位降低虽然会形成超大气泡，可在高功率时抑制气泡脱离或在低功率时增加气泡扰动，但也导致流体的温度梯度减小，单相对流换热效果减弱，致使沸腾传热系数降低。受微结构润湿性和汽化核心密度的影响，过冷沸腾时A表面气泡脱离尺寸最小，超大气泡可加剧气泡扰动，沸腾传热系数未严重恶化。 |
| 作者： | 王茂州 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 吴桂涛;崔文彬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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