微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究
微重力下的沸腾
1.2.2 微重力下
（1）沸腾机理：微重力沸腾所需的条件和常重力差不多一
样，但沸腾现象和机理却有很大的差别，因为气泡受力 发生很大的变化。
（4）失重
1
微重力下气泡的运动变化和传热性能
1.1 微重力简介：
（1）微重力的研究背景：
常重力下的沸腾传热研究已经很成熟了，对于微重力下 的沸腾传热却在最近几年刚开始的，所以对它的沸腾了 解却不足。 （2）沸腾态的选择： 与膜态沸腾相比，核态沸腾传热系数高，传热稳定， 多用在实际应用中。
（3）微重力研究的意义：未来太空的应用。
进入微重力后：气泡尺寸尺寸变大，而且没有 气泡从表面脱离的现象（c）。
（d）气泡之间发生合并形成相对大的球形气 泡。 （e）从加热面中心游离到边缘。
加速度
电压
微重力前： 壁温T w 和加热电压U heating保持不变； 微重力后：壁温T w 和加热电压U heating保持不变； 加热表面壁温相比常重力条件保持不变，而且不 随气泡行为的改变而改变，表明稳态池沸腾现象在 微重力条件下可以获得。
微重力下的沸腾传热
报告人：姚艺彬 搭档： 白昊
内容概要： 1 微重力下气泡的运动变化和传热性能 2 微翘片的芯片和光滑芯片的沸腾性能比较 3 气泡的尺寸和发泡频率
概念： （1）过热度： 过热度指的是加热壁温高于对应压力下的饱 和温度的程度。 △T=T w –T sat 压力升高，液体的饱和温度也是升高的。当加 热壁温不变，提高压力时，则液体的过热度降 低。力变得很小可忽略，所以气泡不易离 开加热表面。 F惯性力：可以认为和常重力一样不变 F压力差：可以认为和常重力一样不变
《2024年气泡动力学特性的三维数值模拟研究》范文
《气泡动力学特性的三维数值模拟研究》篇一摘要气泡动力学特性作为流体力学中的重要组成部分，涉及流体动力学、相变及物质传递等多方面的基本理论。
本研究旨在运用三维数值模拟技术，对气泡动力学特性进行深入探讨，以期为相关领域提供理论依据和指导。
本文首先介绍了研究背景与意义，然后详细描述了研究方法、模型建立、模拟过程及结果分析，最后总结了研究的主要发现和未来展望。
一、引言气泡动力学特性在许多工程领域具有广泛的应用，如化工、生物医学、环境科学等。
近年来，随着计算技术的发展，三维数值模拟成为研究气泡动力学特性的重要手段。
本研究通过对气泡在流体中的运动过程进行三维数值模拟，探讨其动力学特性的影响因素和变化规律。
二、研究方法与模型建立本研究采用三维数值模拟技术，通过建立流体动力学模型，对气泡在流体中的运动过程进行模拟。
模型中考虑了气泡的形状、大小、密度、表面张力等关键因素，以及流体的速度、温度、压力等参数。
此外，还采用了高精度的数值计算方法，以确保模拟结果的准确性。
三、模拟过程及结果分析1. 模拟过程在模拟过程中，首先设定初始条件，包括气泡的形状、大小、位置及流体参数等。
然后运用计算流体动力学（CFD）软件进行三维数值模拟，观察气泡在流体中的运动过程。
通过调整参数，探讨不同条件下气泡的动力学特性。
2. 结果分析根据模拟结果，我们可以得到气泡在流体中的运动轨迹、速度变化、形状变化等信息。
通过对这些数据的分析，我们可以得出以下结论：（1）气泡形状对动力学特性的影响：不同形状的气泡在流体中具有不同的运动轨迹和速度变化。
一般来说，球形气泡在流体中的运动较为稳定，而椭圆形或不规则形状的气泡则容易发生变形和旋转。
（2）流体参数对气泡动力学特性的影响：流体的速度、温度和压力等参数对气泡的运动特性具有显著影响。
当流体速度增大时，气泡的运动速度也会相应增大；当温度和压力发生变化时，气泡的体积和形状也会发生相应的变化。
（3）表面张力对气泡动力学特性的影响：表面张力是影响气泡稳定性的关键因素。
加热面朝下的池沸腾汽泡动态行为研究
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加热面朝下的池沸腾汽泡动态行为研究
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核态池沸腾中气泡生长和脱离的动力学特征_气泡的脱离直径与脱离频率
这样, 可以将不同实验条件 下得到的实验结果用无量纲的形 式表 示 出 来。图 1 给 出 了 根 据
Co le〔5〕 , H an
和
G riffith〔6〕 ,
Stra len〔7〕 , 和 Stan iszew sk i〔8〕 等
+ + 人的实验结果建立的D b ～ Σg 关 系。 可以看到, 在相当宽广的数量 + + 级内, D b 和 Σg 呈现出很强的相 关性, 且有: + + 2 3 ( 3) D b = C Σ( Σ g )
压力 (kPa)
101 101 101 101 101 858 15, 1111, 1414 101 274172 101 101
物质 丙三醇 甲醇 正丁醇
R - 12
四氯化碳 12
已戊烷 丙烷 甲醇 甲醇 液氮
R - 11
四氯甲烷 17 苯 乙醇 四氯化碳 19
表 2 图 4 中的图标说明
序号
1 2 3 4 5 6
第 5 期 杨春信等 1 核态池沸腾中气泡生长和脱离的动力学特征 质在宽广的压力和过热度范围内 的实验结果, 本文提出的特征时 间和特征尺度可以正确地表征气 泡生长的动态过程。 图 1 的结果还 有助于澄清一个问题。 长期以来, 研究者们习惯于将脱离直径和脱 离频率相关联, 但这一研究思路 只能给出相当粗略的结果, 其原 因在于: 脱离频率中同时包括了 气泡等待时间和生长时间 (f - 1 = Σ w + Σ g ) , 而只有气泡生 长时间是与气泡脱离直径直接相关 的 。 数据分散的主要原因是将气泡 等待时间引入关联式中所致 。 一步应用对流换热与沸腾换热的 类比方法推导计算气泡脱离直径 的关系式。 一般的对流换热准则 关系式可以写为〔9〕 :
微重力流动沸腾气泡脱离机制
微重力流动沸腾气泡脱离机制高旭;王学会;雷刚;郑豪策;韩晓红;陈光明【摘要】为了研究微重力条件下的流动沸腾换热过程气泡脱离的特点,研究了气泡在脱离过程中的受力情况,推导并给出了气泡在切向方向和垂直方向上的粘滞力、浮力、附加压力、惯性力的表达式,并在此基础上提出了气泡从加热表面脱离特性的分析模型.研究结果表明,在微重力下气泡的长大时间明显比常重力下大,对应的气泡脱离直径比常重力下也大.随着工质流速的增加,气泡的脱离直径逐步变小,当工质流速达到一定值后,常重力和微重力下气泡的脱离半径差别可以忽略不计.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】6页(P7-11,27)【关键词】微重力;沸腾;传热;气泡动力学;脱离直径【作者】高旭;王学会;雷刚;郑豪策;韩晓红;陈光明【作者单位】航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100028 ;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;航天低温推进剂技术国家重点实验室北京 100028;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027;浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027【正文语种】中文【中图分类】TB6111 引言随着航天事业的飞速发展，人类在太空中的活动越来越频繁。
航天技术的进步不仅为航天学科同时也为相关交叉学科开辟了新的研究领域，很多电子实验设施和装备被带入空间实验室。
研究的逐步深入使得这些设备的发热量越来越高，而它们相应的物理尺寸却越来越小，这就造成了航天电子设备的散热热流密度也越来越大，普通的散热手段已不能满足其散热要求［1］。
同时，由于航天领域的特殊性，设备维修成本较高，维持所用设备长期高效可靠的运行具有非常重要的意义。
流动沸腾换热能够大量的利用工质的潜热进行热量的交换，因此具有很高的传热系数，被认为是目前具有较好应用前景的散热方式之一。
《2024年气泡动力学特性的三维数值模拟研究》范文
《气泡动力学特性的三维数值模拟研究》篇一一、引言随着计算机科技与计算流体力学的持续发展，气泡动力学特性的研究已经成为了众多领域中不可或缺的一部分。
本文将通过三维数值模拟的方法，对气泡动力学特性进行深入研究。
通过模拟气泡在流体中的运动、变形以及与其他物体的相互作用，我们能够更准确地理解气泡的动态行为，为实际工程应用提供理论支持。
二、研究背景与意义气泡动力学特性的研究涉及流体力学、物理化学等多个领域，具有广泛的应用价值。
在工业生产中，如化学反应器、水力发电站、污水处理等过程中，气泡的行为特性对过程效率和产品质量具有重要影响。
此外，在生物医学、海洋科学等领域，气泡的动力学特性也对理解生命过程和自然现象具有重要作用。
然而，由于气泡行为的复杂性，实验研究往往受到诸多限制。
因此，采用数值模拟的方法进行气泡动力学特性的研究具有重要意义。
通过数值模拟，我们可以更加方便地获取气泡的运动轨迹、变形程度以及与其他物体的相互作用力等信息，从而更全面地理解气泡的动力学特性。
三、三维数值模拟方法本部分将介绍我们采用的三维数值模拟方法。
首先，我们建立了气泡和周围流体的三维模型，并采用了合适的网格划分方法。
其次，我们选择了合适的流体模型和湍流模型来描述气泡的运动和变形过程。
最后，我们利用计算机进行数值求解，得到了气泡的运动轨迹和动力学特性。
四、模拟结果与分析通过三维数值模拟，我们得到了丰富的气泡动力学特性数据。
首先，我们发现气泡在流体中的运动轨迹受到多种因素的影响，如流体的速度、粘度、表面张力等。
此外，气泡的变形程度也与其所处环境密切相关。
我们进一步分析了这些因素对气泡动力学特性的影响规律。
另外，我们还研究了气泡与其他物体的相互作用。
我们发现，当气泡与其他物体接触时，会产一定的相互作用力。
这种相互作用力的大小和方向受到多种因素的影响，如物体形状、大小、表面性质等。
我们还通过模拟不同情况下的气泡运动过程，得到了气泡与其他物体相互作用的动态过程。
气泡动力学特性的研究与应用
气泡动力学特性的研究与应用随着科技的发展，气泡动力学逐渐成为了研究和应用的重要方向。
气泡既是一种普遍存在于自然界中的物质，又是一种可用于工业生产和科学实验研究的重要手段。
气泡的动力学特性研究既有理论意义，也有实际应用价值，本文将就此探讨。
一、气泡动力学特性的基本概念气泡是一种空气或其它气体包裹在水（或其它液体）中的球形或半球形体。
气泡通常是由于振荡、撞击、渗漏等原因形成。
在自然界中，气泡广泛应用于海洋、人体生理、大气、地表水、燃烧和环保等领域。
此外，气泡也是科学实验和工业生产中常用的物质。
气泡动力学特性研究的目的是解析气泡所受到的运动和外力作用的物理特性，如气泡在液体中的流动、振荡、破裂、生长等过程。
气泡在液体中的运动主要受到重力、表面张力、动量和浮力等力的作用。
气泡大小和形状、液体性质、气泡运动速度等因素都对气泡运动和特性产生影响。
依据不同研究对象和方法，气泡动力学特性研究可以分为理论分析、实验和数值模拟三种不同形式。
二、气泡动力学特性的研究方法（一）理论分析气泡动力学特性的理论分析主要通过数学物理方程模型建立，通过求解方程得到特定气泡的运动和特性。
气泡运动与物理特性耦合的物理方程组主要包括Navier-Stokes方程、质量守恒方程、气泡表面张力方程、以及边界条件等方程式。
通过对方程解析求解，可以得到气泡育形、壁压、速度、流场等运动参数和字符参数。
理论分析的优势在于可以给出简洁而通用的模型，能够预测和探索气泡特定运动特性，还可以为实验和数值模拟提供参数参考。
不过，理论分析方法的不足之处在于常常需要解答很多数学问题来获得分析和预测结果，这需要特定的数学技术，难以解决实际工程和生产中的某些问题。
（二）实验气泡动力学特性的实验研究可以通过光学实验、水力学模型实验、压力实验等方式进行。
常见的实验设备包括气泡发生器、气泡观测装置、高速相机、光学显微镜等。
实验能够定量获取气泡的运动速度、形态、壁压、生长和破裂循环等动态信息，具有无可替代的优势。
nature science中有关池沸腾的文章 -回复
nature science中有关池沸腾的文章-回复池沸腾是指水或其他液体在受热时产生大量气泡并猛烈冒出的现象。
这种现象在我们日常生活中非常常见，比如我们烧水时水壶中的水会发生沸腾。
然而，这种看似简单的现象背后却涉及着很多复杂的科学原理。
在《Nature Science》杂志中，有关池沸腾的研究文章非常丰富，我们将逐步回答关于池沸腾的一些问题，带您了解这一有趣且重要的现象。
首先，让我们来了解一下池沸腾的原理。
当液体受热时，它的温度会逐渐升高，由于分子热运动的加剧，液体中的分子也会变得更加活跃。
当温度超过了液体的沸点时，液体表面的分子将会蒸发并形成气体。
然而，在池沸腾中，气泡并不是从液体表面产生的，而是从液体内部形成的。
这是因为在液体受热时，液体底部的热量被快速传递到液体表面，使得液体底部的温度超过了沸点。
由于液体底部的温度高于沸点，液体底部的液体分子会发生蒸发并形成气泡，而这些气泡将随着热对流从底部冒出并冲击液体表面。
接下来，让我们看看《Nature Science》中的一篇关于池沸腾的文章。
这篇文章标题为“池沸腾中气泡形成与生长的微观机制研究”。
这篇文章使用了高速摄像技术和数值模拟方法，尝试揭示气泡形成和生长的微观机制。
首先，研究人员通过高速摄像技术捕捉到了气泡形成的过程。
他们发现，气泡的形成是由液体表面的微小不均匀性引发的。
这些微小不均匀性可以是液体中的微小气泡、固体表面上的不规则或微小颗粒等。
当液体受热时，这些微小不均匀性会导致局部的温度升高，从而使得液体底部的温度超过沸点，形成气泡。
其次，研究人员对气泡的生长进行了研究。
他们发现，气泡的生长是由两个主要因素决定的：质量传输和热传输。
质量传输是指气泡周围液体中溶解气体向气泡内部扩散，进而使气泡增大。
而热传输则是指液体底部的热量传递到气泡内部，使气泡内部的液体蒸发产生更多气体，从而使气泡增大。
研究人员发现，在气泡生长的过程中，质量传输和热传输之间存在复杂的相互作用关系，这对于气泡的生长速度和最终大小都会产生影响。
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微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究
吴克;赵建福;李会雄
【摘要】微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究项目是实践十号返回式卫星科学实验任务之一,主要关注微重力池沸腾过程中孤立生长气泡周围局部流动与传热机理.目前,实验装置SOBER-SJ10正样产品已完成研制和地面测试,并开展了一系列地面对比实验.地面实验结果表明设备工作正常,性能指标达到设计要求.地面实验结果表明过冷度对起始沸腾过热度影响甚微.空间飞行实验将于近期进行,其结果将加深对沸腾传热机理的认识.
【期刊名称】《力学与实践》
【年(卷),期】2016(038)002
【总页数】4页(P203-206)
【关键词】核态池沸腾;沸腾起始;气泡热动力学行为;微重力
【作者】吴克;赵建福;李会雄
【作者单位】中国科学院力学研究所,中国科学院微重力重点实验室,北京100190;中国科学院力学研究所,中国科学院微重力重点实验室,北京100190;西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,西安700049
【正文语种】中文
【中图分类】O359+.1
沸腾过程因相变潜热的释放而具有极大的热传递能力等优点，不论在地面常重力环境还是空间微重力环境都有十分重要和广泛的应用，具有非常实际的研究价值.传
统的沸腾传热理论中，一般都明显包含重力加速度的影响，但是据以构建相关理论的经验基础往往只是地面常重力条件下的实验结果，因此，重力加速度无法作为一个可控变量，也就无从直接验证相关理论的正确与否.此外，地面常重力环境中，
浮力主导着气泡的动力学特征，极大地掩盖了加热面附近相变过程及其特征.因此，利用空间微重力环境开展沸腾实验研究，对于揭示沸腾现象中的重力作用机制具有显著的学术意义.
微重力沸腾研究可以追溯到20世纪50年代，迄今已超过半个世纪，在基本现象
及传热规律等方面取得了明显的进步［12］.不过，由于空间实验机会的缺乏，以
及空间实验在设备尺寸、重量、能耗和微重力持续时间等方面的严格限制，微重力沸腾实验非常有限，且多关注宏观平均的传热性能，缺乏对加热面附近局部细观行为的观测，需要进一步来研究.
“微重力沸腾过程中的气泡动力学特征研究”项目是实践十号科学实验卫星任务之一［3］，其主要研究目标为：通过局部过热实现微重力沸腾气泡生成位置的精确定位，认识生长气泡周围细观运动与加热器三维瞬态温度场演化特征，揭示气泡热动力学与局部热量传输过程间的耦合作用及其对沸腾传热性能的影响机制，理解沸腾传热内在机理.本项目研究成果可以服务于我国航天（尤其是载人航天）事业相
关技术的研发，同时为地面常重力环境相关应用提供理论指导.
沸腾气泡箱 SOBER-SJ10（图 1）是用来完成“微重力沸腾过程中的气泡动力学特征研究”项目空间实验任务的硬件设备.在载荷支撑系统的支持下，沸腾气泡箱将
完成不同过冷度条件下单气泡沸腾和常规池沸腾两种模式的空间科学实验任务，获得微重力沸腾过程中的气泡动力学行为特征的图像与科学测试数据，对微重力池沸腾现象中气泡生长过程的热动力学特征进行细致观测，认识生长气泡周围细观流动、气泡底部干斑与微液层演化以及加热器内部三维瞬态温度场演化等过程特征，揭示气泡热动力学与局部热量传输过程间的耦合作用及其对沸腾传热性能的影响机制，
理解沸腾传热内在机理.
集成微加热器（图 2）是沸腾气泡箱核心部件之一，采用 MEMS技术在厚度
2mm、面积10mm×10mm的石英玻璃基片的正面上集成加工了气泡激发器和
10个局部温度传感器（图2（a）和图2（b）），同时在石英玻璃基片背面加工
了主加热器（图2（c）），并采用COB（chip-on-board）封装技术形成为一个独立的器件（图2（d））.
气泡激发器采用脉冲电加热形成的局部过热激发模式，即在设定时刻通过脉冲加电引起设定位置处的电阻元件发热形成局部高过热状态，进而激发出微小的气泡囊胚，作为“种子”气泡，并在石英玻璃基片背面主加热器供应的稳定热流作用下连续生长.此时的实验为单气泡沸腾模式.若不启动气泡激发器，仅依靠石英玻璃基片背面
主加热器稳定加热，则实验将处于常规池沸腾模式.
目前，实验装置SOBER-SJ10正样产品已完成研制和地面测试，并开展了一系列
地面对比实验［4］.地面实验结果表明设备工作正常，性能指标达到设计要求.
图3显示了地面常重力对比实验所获得的地面常重力条件下的池沸腾传热曲线，
实验数据在单相自然对流区域与经典模型符合甚好，沸腾阶段数据与前人在相近条件下的实验结果同样符合很好，验证了该装置的可靠性.
地面实验结果显示，以壁面过热度表征的沸腾起始条件几乎不受液体过冷度的影响，验证了过冷度对起始沸腾过热度影响甚微.
图4则是基于集成微加热器局部温度传感器测量结果重构的地面常重力条件下单
气泡沸腾时加热表面局部温度的时空演化特征.不过，地面常重力条件下，气泡受
浮力控制，其尺寸与生命周期分别在10-3m和10-3s的量级，而限于空间资源的紧缺，加热表面局部温度测点的分布和测量数据采样频率都略显宽疏，难以显示其细致结构特征.在空间微重力条件下，气泡热动力学行为将在空间和时间尺度上都
得以显著扩大，有望获得更为精细的加热表面局部温度的时空演化过程特征，加深
对相应过程的认识.
制约沸腾传热理论发展的主要原因之一，在于对液气固三相界面附近细观流动与传热结构的研究较少.地面常重力环境中，浮力主导着气泡的动力学特征，极大地掩盖了加热面附近相变过程及其特征.因此，尽管经典传热学理论和实践已表明，沸腾传热表面上气泡的动力学行为对换热设备的传热效率和可靠性具有决定性影响，并且基于这种认识，地面常重力环境下的气泡动力学行为特性，包括气化核心的形成与分布、气泡脱离换热表面时的尺寸与频率、气泡脱离壁面后的运动轨迹、气泡的再生长及合并等已得到了广泛关注，迄今仍无法给出公认的结果.空间微重力条件下，重力作用被极大削弱甚至完全抑制，生成的气相脱离加热表面的动力减弱，将极大地增加气泡热动力过程的时间和空间尺度，凸显液--气--固三相界面附近细观流动与传热结构特征，极大地方便了对细观机理的深入研究，有利于认识生长气泡周围细观流动、气泡底部干斑与微液层演化以及加热器内部三维瞬态温度场演化等过程特征，揭示气泡热动力学与局部热量传输过程间的耦合作用及其对沸腾传热性能的影响机制，理解沸腾传热内在机理.
针对微重力池沸腾过程中孤立生长气泡周围局部流动与传热机理，提出了微重力池沸腾过程中的气泡热动力学特征研究项目，目前已完成了空间实验装置（SOBER-SJ10）正样飞行件产品的研制和地面测试，结果表明设备工作正常，性能指标达到设计要求.实践十号返回式卫星将按计划于近期发射，利用其提供的长期、稳定的空间微重力环境，SOBERSJ10将开展一系列微重力条件下的单气泡沸腾和常规池沸腾现象实验研究，其结果将加深对沸腾传热机理的认识，促进学科的发展.
【相关文献】
1 Straub J.Boiling heat transfer and bubble dynamics in microgravity.Adv Heat Transfer，2001，35：57-172
2 Zhao JF.Two-phase flow and pool boiling heat transfer in microgravity.Int J Multiphase Flow，2010，36（2）：135-143
3 Hu WR，Zhao JF，Long M，et al.Space program SJ-10 of microgravity
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4 Wu K，Li ZD，Zhao JF，et al.Partial nucleate pool boiling at low heat flux：preliminary ground test for SOBERSJ10. Microgravity Sci Tech，doi 10.1007/s12217-016-9495-8（2016）
5 Kim J，Benton JF，Wishiewski.Pool boiling heat transfer on small heaters：effect of gravity and subcooling.Int J Heat Mass Transfer，2002，45（19）：3919-3932。