自循环两相热湍流的热输运特性研究

【作者】 齐浩然； 杜易鸿； 若田雄辉； 王峰； 王子奇； 孙超；

【机构】 清华大学能源与动力工程系； 清华大学航天航空学院工程力学系；

【摘要】 自然对流现象广泛存在于日常生活和工业生产中,其相干羽流结构能够在宽范围时空尺度上混合系统内不同组分,实现相对于扩散更高效的热输运,因此自然对流被广泛用于各种换热设备中。为进一步提高自然对流系统的传热效率,本工作提出了一种基于液滴在湍流场中的可控相变的自循环两相热湍流系统。在以水为主要工作液体的系统中加入小体积分数的低沸点液体,通过控制系统的加热和冷却温度,使其可以在热边界处被加热至沸腾,而产生的蒸汽泡在水中以及冷边界处被冷却,凝结成液滴并落回低沸点液体层参与下一次汽-液相变循环过程。本工作发现上升汽泡、下降液滴以及两相羽流对增强系统传热效率的"类催化性"作用,液滴相变潜热的贡献以及汽泡流导致的湍流场掺混效应,可以形成极高的湍流相干结构,并大幅度提升湍流换热效率。进一步地,本工作发现,对于给定系统两端温度的情况,随着低沸点液体体积分数的增加,低沸点液体发生沸腾时的汽泡产生模式由单汽泡模式转变为两相羽流模式,传热增强效果也随之提高,在本工作的参数范围内最高能够将传热效率提升至无沸腾工况时的800%。本工作提出的自循环两相"类催化性颗粒"热湍流系统在大幅度地突破了传统单相自然对流系统热输运极限的同时,保持了传统单相自然对流系统的自组织、自维持特性,不需要特殊结构设计,不需要机械运动部件,不需要额外能量输入,工作温度范围安全,可以为实现化工、能源等领域既有换热设备的增强传热效率、节约能源提供理论支撑。更多还原