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声空化强化沸腾传热及渗透脱水过程传质研究

作　者: 孙宝芝
导　师: 姜任秋
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 声空化自然对流沸腾传热渗透脱水质量传递
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

声空化是指向液体中辐射声波时,在一定压强下液体中出现的微小气泡随着声压的变化做脉动、振荡,或伴随有生长、收缩以致破灭的现象。液体声空化的过程是集中声场能量并迅速释放的过程。近十几年来,声空化及其相关效应的理论价值和巨大应用潜力,越来越受到国内外专家的关注。声空化强化传热传质技术是近几年来刚刚兴起,并引起人们广泛关注的第三代有源强化传热传质技术,也是声空化技术在传热传质领域新的应用。针对超声波在媒介中传播时产生的声空化现象,分析了产生空化所需的空化阈值及超声波作用下空化泡的动力学行为,并指出声空化过程中产生的高温、高压及强压力脉冲是声空化强化传热传质的根源。对声空化强化自然对流传热问题进行了系统的实验研究。实验中测量并研究有无声空化作用时液体温度、加热表面温度及传热系数的变化,旨在研究声空化参数对自然对流传热的影响。同时,对声空化强化自然对流传热的物理机制和行为进行了分析与讨论。研究结果表明:声空化对自然对流传热有显著强化作用,空化强度及空化方向是影响声空化强化自然对流传热的重要因素。超声空化引起的声冲击波促使流体的宏观湍动,改变水平圆管周围的流场,同时,声冲流直接冲击固体壁面,使固液界面边界层减薄,减小了固液间对流传热的表面热阻,从而强化自然对流传热。以水平铜管的大空间饱和核态沸腾传热为例,对声空化作用下核态沸腾传热过程所表现出来的宏观物理行为进行了实验研究。研究发现:声空化对核态沸腾起始区域的强化率最大,随热流密度的增加,强化率逐渐减小;当热流密度不变时,强化率随空化强度的增加而增大。在实验研究的基础上,以均质沸腾汽泡动力学为出发点,从汽泡的力平衡和热平衡两方面分析声空化对汽化核心、汽泡生成、长大及脱离的影响。声空化作用下,壁面上汽化核心数增加,汽泡开始生长的半径减小,生长速率加快,脱离频率增加。对声空化强化渗透脱水过程中的质量传递问题进行实验研究,分析物料脱水率和溶质增加率随溶液浓度、空化强度、物料厚度、作用时间段及时间

全文目录

第1章绪论  12-32
  1．1 研究工作背景  12-16
  1．2 强化沸腾传热和渗透脱水技术及其综述  16-24
    1．2．1 强化沸腾传热的方法  16-20
    1．2．2 强化渗透脱水过程传质的方法  20-24
  1．3 声空化及其强化传热传质技术研究进展  24-30
    1．3．1 声空化的研究进展  24-26
    1．3．2 声空化强化传热传质技术研究进展  26-30
  1．4 本文的主要研究内容  30-32
第2章超声空化原理  32-46
  2．1 超声空化与空化阈值  32-36
  2．2 超声波作用下空化泡的动力学行为  36-45
    2．2．1 空化泡的崩溃时间  36-39
    2．2．2 声场中空化泡壁的运动  39-42
    2．2．3 瞬态空化  42-45
    2．2．4 稳态空化  45
  2．3 本章小结  45-46
第3章声空化强化传热实验系统与方法  46-53
  3．1 声空化强化传热实验装置  46-50
    3．1．1 实验装置  46-48
    3．1．2 实验件结构  48-49
    3．1．3 流体温度测量  49-50
    3．1．4 声空化发生装置  50
  3．2 实验方法与实验测量  50-51
  3．3 实验数据整理  51-52
  3．4 本章小结  52-53
第4章声空化强化水平圆管自然对流传热研究  53-65
  4．1 声空化热效应  53-58
    4．1．1 空化强度和实验工质对热效应影响分析  56
    4．1．2 液面高度对热效应影响分析  56-57
    4．1．3 空化方向对热效应影响分析  57-58
  4．2 声空化对自然对流传热的影响研究  58-61
    4．2．1 空化强度对自然对流传热的影响  58-60
    4．2．2 空化方向对自然对流传热的影响  60-61
  4．3 声空化强化自然对流传热物理机制分析  61-64
  4．4 本章小结  64-65
第5章声空化强化水平圆管沸腾传热研究  65-81
  5．1 初始均温均质液体中汽泡的成长  66-69
  5．2 声空化场下的沸腾传热实验研究  69-70
  5．3 声空化强化沸腾传热物理机制分析  70-79
    5．3．1 汽泡生成及长大的条件  72-75
    5．3．2 声空化对汽化核心、汽泡长大及脱离的影响  75-78
    5．3．3 空化强度对沸腾传热的影响分析  78-79
  5．4 本章小结  79-81
第6章渗透脱水的物理机制及数学模型  81-94
  6．1 果蔬渗透脱水的影响因素  81-84
  6．2 渗透脱水的物理机制分析  84-86
  6．3 渗透脱水过程传质的数学模型  86-92
    6．3．1 无限大平板的数学模型  87-89
    6．3．2 直角平行六面体的数学模型  89-90
    6．3．3 无限长圆柱体的数学模型  90-91
    6．3．4 有限长圆柱体的数学模型  91-92
  6．4 渗透脱水的应用及其局限性  92-93
  6．5 本章小结  93-94
第7章声空化强化渗透脱水过程质量传递的实验及机理研究  94-105
  7．1 实验装置与过程  95-97
  7．2 实验结果与讨论  97-101
    7．2．1 溶液浓度对渗透脱水的影响  98
    7．2．2 物料厚度对渗透脱水的影响  98
    7．2．3 空化强度对渗透脱水的影响  98-99
    7．2．4 作用时间段对渗透脱水的影响  99
    7．2．5 物料性质对渗透脱水的影响  99-101
    7．2．6 渗透脱水过程质扩散随时间的变化  101
  7．3 实验误差分析  101-102
  7．4 声空化强化渗透脱水物理机制分析  102-104
  7．5 本章小结  104-105
第8章声空化影响渗透脱水过程质扩散率研究  105-116
  8．1 数学模型  106-108
  8．2 结果与讨论  108-114
    8．2．1 实验结果与分析  109-110
    8．2．2 质扩散系数的确定  110-111
    8．2．3 数值模拟结果与分析  111-113
    8．2．4 计算值与实验结果的对比分析  113-114
  8．3 本章小结  114-116
结论  116-119
参考文献  119-130
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  130-132
致谢  132-133
个人简历  133

声空化强化沸腾传热及渗透脱水过程传质研究

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