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加热表面上气泡传热及动力学特性的LBM模拟

作　者: 孙涛
导　师: 李维仲
学　校: 大连理工大学
专　业: 制冷及低温工程
关键词: 格子Boltzmann方法气液两相流气泡群相变传热传质
分类号: O359.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

气泡的运动、变形长大是气液两相流及传热传质领域中十分重要的现象,对气泡传热及动力学特性的研究也是气液两相流及传热传质领域的重要课题。一般来讲,根据所处环境的不同,气液两相流可以分为等温和非等温系统。在等温系统中,压力主导气液界面的非稳定变形,不涉及相变。而在非等温系统中,相变主导气泡变形且伴随界面处的传热传质。气泡现象在自然界和工业生产过程中广泛存在。例如：制冷系统中制冷剂的循环过程；液压系统的气穴现象；天然气的开采和运输以及沸腾现象等。研究气泡动力学特性和传热传质机理有助于工业设备的设计及操作。因此,对气液两相流及传热传质的研究受到越来越多的重视。格子Boltzmann方法作为一种新兴的数值方法,具有并行能力强,物理图像清晰,边界条件易处理等诸多优点。因此,在气液两相流问题的研究上体现了较大的优势和很强的适应性。本文以气液两相流为研究对象,应用格子Boltzmann方法,对气泡分别在等温和非等温环境中的动力学特性和传热传质机理进行数值模拟研究。所获结果不仅为格子Boltzmann方法在两相流领域的应用进行了一些探索,也为相关领域的理论和实验研究提供了有意义的参考。首先,为了验证格子Boltzmann方法用于研究等温系统气液两相流的适用性,基于自由能模型,模拟了气泡群在黏性不可压缩流体中的上升过程。由于气液密度比过大容易造成数值不稳定问题,本文采用精度更高酌八点差分和十八点差分格式以避免产生数值震荡。在此基础上对气泡群的流动特点和相互作用规律进行数值研究。模拟结果表明气泡之间的影响程度不仅取决于相对位置和距离,还取决于相对体积的大小。另外,鉴于自由能模型在处理界面时的特点,该方法可以向非等温系统的气液两相流推广应用。为了进一步研究格子Boltzmann方法的传热模型,本文对单相流体在三角形和矩形结构表面的流动特性和换热特性进行了数值研究,探索格子Boltzmann方法在解决传热问题中的可行性。通过对流场的平均温度、出口温度和壁面平均Nu数的比较发现,矩形结构表面具有较好的对流换热性能。在场协同原理基础上对该结论进行分析。数值结果不仅证明了格子Boltzmann方法适用于研究对流换热问题,还为等温两相流推广到非等温系统的研究奠定基础。联合上述自由能模型和热模型,可以构造一个能够描述相变的格子Boltzmann复合模型,本文应用该模型对蒸汽泡在水平和竖直加热表面上的行为机理进行了数值研究。详细地讨论了不同沸腾状态下气泡的动力学特性及传热传质机理。模拟结果表明,当水平壁面发生核态沸腾时,微对流对气泡的生长过程起到非常关键的作用。当水平壁面发生流动沸腾时,热量主要以核态沸腾和强制对流的方式传递。对多气泡在竖直壁面上生长过程的研究表明,过渡沸腾是一个膜态沸腾和核态沸腾在加热壁面上交替进行的过程。对气泡脱离直径和脱离频率的研究呈现了正确的参数关联。借鉴二维模型处理气液相变时的思路,本文提出一个新的三维格子Boltzmann相变模型。应用新模型在三维条件下模拟了单气泡和双气泡在水平壁面上生长、融合及脱离的过程,并与实验结果比较。数值结果准确、清晰地展现了沸腾过程中气泡的动力学特性,证实了新模型模拟沸腾现象的准确性和可行性。最后,利用格子Boltzmann方法在处理复杂边界时的独特优势,对气泡在不同结构的强化表面上的生长过程及传热传质机理进行数值研究。详细讨论了气泡当量直径、脱离频率以及平均Nu数对沸腾过程中气泡动力学特性和传热传质的影响。数值结果表明,T型强化表面具有最好的换热性能；而水平壁面具有最低的换热性能。在此基础上,分析了强化表面能够增强核态沸腾热传递的原因。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-18
1 绪论  18-31
  1.1 研究背景及意义  18-19
  1.2 气泡动力学的研究现状  19-29
    1.2.1 论分析  20-21
    1.2.2 实验方法研究  21-26
    1.2.3 数值模拟研究  26-29
  1.3 本文的主要研究内容  29-31
2 格子Boltzmann方法原理及模型  31-51
  2.1 格子Boltzmann方法发展历史  31-32
  2.2 格子Boltzmann方法原理  32-36
  2.3 边界处理方法  36-41
    2.3.1 周期性边界处理格式  36-37
    2.3.2 反弹格式  37-39
    2.3.3 动力学格式  39-40
    2.3.4 外推格式  40-41
  2.4 多相多组分格子Boltzmann模型  41-47
    2.4.1 颜色模型  41-42
    2.4.2 伪势模型  42-43
    2.4.3 自由能模型  43-44
    2.4.4 Zheng大密度比模型  44-47
  2.5 模型验证  47-50
    2.5.1 Laplace定律验证  47-48
    2.5.2 两气泡融合  48-50
  2.6 本章小结  50-51
3 多气泡上升过程相互作用的格子Boltzmann三维数值模拟  51-62
  3.1 网格无关性分析及数值验证  51-54
    3.1.1 网格无关性分析  51
    3.1.2 数值验证  51-54
  3.2 两气泡上升过程的相互作用  54-58
    3.2.1 两气泡同轴上升  54-56
    3.2.2 两气泡异轴上升  56-58
  3.3 气泡群  58-61
  3.4 本章小结  61-62
4 两种结构表面传热特性的格子Boltzmann数值模拟  62-75
  4.1 物理模型及格子Boltzmann热模型  62-64
    4.1.1 物理模型  62-64
    4.1.2 格子Boltzmann热模型  64
  4.2 模型验证  64-67
  4.3 两种不同结构表面传热特性的数值模拟  67-72
    4.3.1 结构表面流场的数值模拟  67-69
    4.3.2 结构表面温度场的数值模拟  69-72
  4.4 场协同原理  72-73
  4.5 本章小结  73-75
5 加热壁面上沸腾现象的格子Boltzmann方法数值模拟  75-106
  5.1 复合的格子Boltzmann相变模型  75-78
  5.2 水平壁面上核态沸腾的数值模拟  78-85
    5.2.1 网格无关性分析  78
    5.2.2 单气泡在水平壁面上生长和脱离  78-83
    5.2.3 气泡脱离直径和脱离频率  83-85
  5.3 水平壁面上流动沸腾的数值模拟  85-89
    5.3.1 单气泡在具有水平速度的流场中生长和脱离  85-88
    5.3.2 气泡脱离直径和脱离频率  88-89
  5.4 竖直壁面上沸腾现象的数值模拟  89-96
    5.4.1 单气泡在竖直壁面上生长和脱离  89-93
    5.4.2 气泡脱离直径  93-95
    5.4.3 多气泡在竖直壁面上生长和脱离  95-96
  5.5 水平壁面上核态沸腾的三维数值模拟  96-105
    5.5.1 三维格子Boltzmann相变模型  97-98
    5.5.2 单气泡生长和脱离的数值研究  98-102
    5.5.3 双气泡生长和脱离的数值研究  102-105
  5.6 本章小结  105-106
6 强化表面对核态沸腾影响的格子Boltzmann数值模拟  106-117
  6.1 气泡在三角形强化表面上生长和脱离的过程  106-109
  6.2 气泡在矩形强化表面上生长和脱离的过程  109-111
  6.3 气泡在T型强化表面上生长和脱离的过程  111-116
  6.4 本章小结  116-117
7 结论与展望  117-120
  7.1 结论与创新点  117-118
  7.2 创新点摘要  118-119
  7.3 展望  119-120
参考文献  120-130
附录A 基于无量纲化的单位转换  130-132
附录B 三维模型宏观控制方程推导  132-135
攻读博士学位期间科研项目及科研成果  135-136
致谢  136-137
作者简介  137-138

加热表面上气泡传热及动力学特性的LBM模拟

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