沸腾传热过程
基于Fluent中DPM的水滴蒸发冷凝和沸腾过程中传热传质的规律和程序实现
基于Fluent中DPM的水滴蒸发冷凝和沸腾过程中传热传质的规律和程序实现Fluent是一款流体动力学软件，其中包含了离散相方法（DPM）用于模拟颗粒的运动和传热传质过程。
水滴的蒸发、冷凝和沸腾过程都是与传热传质密切相关的现象。
本文将介绍基于Fluent中DPM的水滴蒸发、冷凝和沸腾过程中的传热传质规律以及相应的程序实现。
1.水滴的蒸发过程：水滴在蒸发过程中，会受到环境中的热量传递，水分子在水滴内部形成蒸汽，并从水滴表面逐渐蒸发。
蒸发过程中的传热传质可以通过Fluent中DPM模型来模拟。
首先，需要构建一个包含水滴颗粒和气体介质的计算域。
水滴颗粒的初始位置、粒径和质量可以根据实际情况进行设定。
其次，通过设定水滴颗粒的表面属性，如温度、蒸汽质量分数等，来模拟水滴的蒸发过程。
可以通过设定边界条件或者设置适当的物理模型来实现。
针对传热传质规律，可以使用DPM中的蒸发模型。
该模型基于物理机理，考虑了水滴表面温度、湿度、传热参数以及气体介质中水分浓度梯度等因素，通过数值方法求解蒸发过程中的能量和质量传递方程。
2.水滴的冷凝过程：水滴在冷凝过程中，会释放热量给周围环境，水蒸气在与冷凝表面接触时变成液体。
冷凝过程中的传热传质可以同样通过Fluent中DPM模型来模拟。
与水滴蒸发相反，冷凝过程需要考虑水滴颗粒与冷凝表面间的传热传质。
可以通过设定边界条件或者设置适当的物理模型来实现。
针对传热传质规律，可以使用DPM中的冷凝模型。
该模型同样基于物理机理，考虑了水滴表面温度、湿度、传热参数以及冷凝表面与水滴颗粒的接触区域等因素，通过数值方法求解冷凝过程中的能量和质量传递方程。
3.水滴的沸腾过程：水滴在沸腾过程中，会迅速产生蒸汽，并从液态转化为气体态。
沸腾过程中的传热传质也可以通过Fluent中DPM模型来模拟。
为模拟水滴的沸腾过程，需要考虑水滴颗粒的表面属性、液相和气相的传热传质过程。
可以通过设定边界条件或者设置适当的物理模型来实现。
传热总结
1．核态沸腾：在加热面上产生汽泡，换热温差小，且产生汽泡的速度小于汽泡脱离加热表面的速度，汽泡的剧烈扰动使表面传热系数和热流密度都急剧增加。
2．膜态沸腾：在加热表面上形成稳定的汽膜层，相变过程不是发生在壁面上，而是汽液界面上，但由于蒸汽的导热系数远小于液体的导热系数，因此表面传热系数大大下降。
3．影响自然对流传热系数的主要因素有：(流动起因，流动速度，流体有无相变，壁面的几何形状、大小和位置，流体的热物理性)4.沸腾的临界热通量是指(当壁面过热度大到某一程度时，汽泡来不及脱离加热面而开始连成不稳定的汽膜，即由核态沸腾开始向膜态沸腾过渡，出现临界点的热流密度）5.减小管内湍流对流传热热阻的方法(增加流速，采用短管。
改变流体物性，增加换热面积，扰流，采用导热系数大的流体用小管径等）6.反映对流传热强度的准则称为努塞尔准则7.管内充分发展湍流的传热系数与平均流速U的0.8次方成正比，与内径D的0.2次方成反比。
8.大空间自然对流处于湍流状态时有自模化特征，此时传热系数与尺寸无关9.自然对流传热在湍流条件下发生关于特征尺度L的自模化现象10.在蒸汽的凝结过程中珠状凝结的传热系数大于膜状凝结11.自然对流传热是指流体在浮升力作用下的对流12.管槽内对流传热的入口效应是指（流体入口段由于热边界层较薄而具有较高的对流传热系数）13.流体在大空间沿竖壁作自然对流传热时，对于湍流工况，其对流传热系数正比于竖壁高度的0次方14.大容器沸腾曲线分为自然对流、核态沸腾、过渡沸腾、膜态沸腾四个区段15.流体纯自然对流传热的准则方程可写成Nu＝f(Gr，Pr)流体掠过平板对流传热时，在下列边界层各区中，温度降主要发生在层流底层（1)主流区 (2)湍流边界层(3)层流底层(4)缓冲区 (5)湍流核心区16.空气自然对流传热系数与强迫对流时的对流传热系数相比要小的多是从核态沸腾过渡到膜态沸腾的转折点17.沸腾的临界热流量qc18.液体沸腾时，汽泡内的压力大于汽泡外液体的压力表面张力19.定型准则是指全部由已知量构成的准则20.工程中，较为常用的沸腾工况是指核态沸腾21.下述哪种手段对提高对流传热系数无效?(1)提高流速(2)增大管径(3)采用入口效应 (4)采用导热系数大的流体22.Nu(努谢尔特)准则反映2)对流传热强度23.判断管内湍流强制对流是否需要进行人口效应修正的依据是l/d<5024.相变传热的特征为)液体的表面张力、汽化潜热25.冷却液润湿壁面的能力取决液体的表面张力、液体与壁面间的附着力26.在饱和沸腾时，随着壁面过热度的增高将会出4 个换热规律全然不同的区域。
沸腾传热强化技术及方法
沸腾传热强化技术及方法
沸腾传热强化技术及方法是近年来受到越来越多的关注的技术，它能够显著提高传热效率，降低传热过程中的能耗。
沸腾传热强化技术及方法是一种在热传导过程中利用沸腾现象改善传热效率的技术，它主要通过改变传热介质的状态，使流体进入沸腾状态来提高传热效率。
沸腾传热强化技术及方法的主要方法包括：一种是通过改变传热介质的压力来改变沸腾温度，使流体进入沸腾状态，从而提高传热效率；另一种是通过改变流体的流速来改变沸腾温度，使流体进入沸腾状态；还有一种是可以通过改变流体的物性来改变沸腾温度，使流体进入沸腾状态。
沸腾传热强化技术及方法的应用场合非常广泛，主要用于控制热传导过程中的温度场、改善传热介质的流量分布、缩短传热过程的时间，以及在高压和超高压条件下的传热研究等。
沸腾传热强化技术及方法的使用，不仅可以提高传热效率，而且还可以节约能源，改善热能利用效率。
此外，沸腾传热强化技术及方法还具有一定的局限性，比如传热过程中存在较大的压力损失，同时也存在一定的操作风险，因此在沸腾传热强化技术及方法的运用中，必须谨慎操作，以避免因不当操作而可能带来的损失。
总之，沸腾传热强化技术及方法是一种可以显著提高传热效率的技术，它的应用场景非常广泛，可以节约能源，改善热能利用效率，但是在运用中也应该谨慎操作，以免造成不必要的损失。
沸腾的主要原理
沸腾的主要原理沸腾是一种常见的物理现象，指的是液体在受热时产生气泡，并且气泡在液体中不断上升和破裂的过程。
沸腾不仅在日常生活中广泛存在，而且在工业、科学等领域也有重要应用。
本文将详细介绍沸腾的主要原理。
一、沸腾的定义和特点沸腾是指液体受热时产生气泡，并且气泡在液体中不断上升和破裂的过程。
通常情况下，当液体温度达到其饱和温度时，就会开始出现沸腾现象。
沸腾具有以下特点：1. 液体内部存在高温区和低温区。
高温区位于气泡周围，低温区则位于气泡下方。
2. 气泡自下而上运动，并且大小逐渐增大。
3. 气泡破裂时会发出爆裂声，并释放出大量热量和水蒸汽。
二、沸腾的三个阶段通常情况下，沸腾可以分为三个阶段：起始阶段、稳定阶段和恶化阶段。
1. 起始阶段：液体开始受热后，温度逐渐升高，直到达到液体的饱和温度。
此时，液体中开始出现微小气泡，并且气泡大小逐渐增大。
2. 稳定阶段：当液体温度达到饱和温度后，气泡数量迅速增加，并且大小趋于稳定。
此时，液体内部存在高温区和低温区，气泡在高温区产生，在低温区破裂。
3. 恶化阶段：当热量输入过大或者液体压力过小时，沸腾会进入恶化阶段。
在这个阶段中，气泡数量迅速增加，并且大小不断增大。
同时，气泡运动速度也变得非常快，并且在液面上形成一个类似喷泉的结构。
这种情况下，沸腾会对设备造成损坏或者危险。
三、沸腾的主要原理沸腾是由多种因素共同作用产生的物理现象。
其中最主要的因素包括以下几个方面：1. 温度差异：沸腾是由于液体内部存在高温区和低温区而产生的。
当热量输入到液体中时，高温区会产生气泡，低温区则会使气泡破裂。
2. 液体性质：不同的液体具有不同的沸点和表面张力。
这些因素都会影响沸腾现象的发生。
3. 液体压力：液体压力越大，沸点也就越高。
当液体压力降低时，沸点也会随之降低。
4. 外界条件：外界环境对沸腾现象也有一定影响。
例如，当空气湿度较高时，水分子会在气泡周围凝结成小水滴，从而影响气泡的运动。
传热三种方式
1•传导传热是指温度不同的物体直接接触，由于自由电子的运动或分子的运动而 发生的热交换现象。
温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间热能的传递过程，称为传导传热。
传热过程中，物体的微观粒子不发生宏观的相对移动，而在其热运动相互振动或 碰撞中发生动能的传递，宏观上表现为热量从高温部分传至低温部分。
微观粒子 热能的传递方式随物质结构而异，在气体和液体中靠分子的热运动和彼此相撞， 在金属中靠电子自由运动和原子振动。
⑴对流传热是热传递的一种基本方式。
热能在液体或气体中从一处传递到另一处的过程。
主要计算分类对于宅瘟畀捲T 特担黑举为聲疑*ao2、多层平面壁的计算1、单层平壁的计算⑴序+购珅子连嘉荐挑扯ft qg 醴円畀…是由于质点位置的移动，使温度趋于均匀。
是液体和气体中热传递的主要方式。
但也往往伴有热传导。
通常由于产生的原因不同，有自然对流和强制对流两种。
根据流动状态，又可分为层流传热和湍流传热。
化学工业中所常遇到的对流传热，是将热由流体传至固体壁面（如靠近热流体一面的容器壁或导管壁等），或由固体壁传入周围的流体（如靠近冷流体一面的导管壁等）。
这种由壁面传给流体或相反的过程，通常称作给热。
定义对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位弯管中的对流传热⑴由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。
在工程上，常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程，称之为对流传热。
[2]对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw 的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为q=a（tw-tf），当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有q=a（tf-tw）式中q为对流传热的热通量，W/m2 a 为比例系数，称为对流传热系数，W/（m2「C）。
牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。
核电厂热工水力学
Chen 所提出的公式能够成功地综合 594个典型实验数据。他 认为，在饱和泡核沸腾区和两相强制对流蒸发传热区，总是在某
种程度上发生着泡核沸腾和强制对流两种传热机理，并且，这两
种机理对传热的作用可以叠加，随有关参量的变化，这两种传热
机理可以相互逐步过渡。按以上观点，Chen 提出：
hT P h N B h F C
Chen 关系式既可以适用于强制对流蒸发传热工况，又 可以适用于饱和泡核沸腾传热工况，这时有
q (hNB hFC )(TW TS ) hTP (TW TS )
（3－37D）
此外，Chen 关系式还可以扩展应用于欠热泡核沸腾传
热工况，这时应取 F 1.和 x 0 ，但 S 仍由图 3－9 查得，而
（3－37）
式中，hNB 是泡核沸腾传热系数，表明泡核沸腾对传热的贡献；hFC
是强制对流传热系数，表明强制对流对传热的贡献。
hFC 可用液相单独充满通道流动时的单相液体的对流传热系数 关系式计算，即
hFC
0.023
kL De
0.8
G(1 x)De
L
cp
k
0.4 L
F
（3－37A）
式中 F 是一个两相流动参量，可以预料它是 Martinelli—Nelson 参
堆芯传热
核电厂热工水力学
1流动沸腾传热
流动沸腾是指液体有宏观运动的系统内的沸 腾，加热面上汽泡生长受到液体流动方向上 的附加作用，使壁面的泡化过程特性发生变 化。液体运动可以是由外力强制作用引起的 强迫流动，也可以是由流体密度差造成的自 然对流。流动沸腾常伴随着各种汽—液两相 运动，所以它比池内沸腾复杂。
TSUB (zFDB )
TS
液体沸腾的两种基本形式
液体沸腾的两种基本形式液体沸腾是一种常见的物理现象，当液体受热至一定温度时，液体表面开始产生气泡，并且迅速升起，这就是液体沸腾。
液体沸腾是液体受热和相变的一种表现形式，它有两种基本形式：自由沸腾和沸腾崩溃。
自由沸腾自由沸腾是指液体在受热的过程中，液体内部的各个部位都能够产生气泡，液体呈现出均匀沸腾的状态。
当液体受热至沸点时，液体内部的各个微观区域达到同一温度，液体内的分子都能够获得足够的能量跃升至液体表面形成气泡。
这些气泡由于受到液体周围的压力，很快上升并破裂释放出热量，产生“咕嘟咕嘟”的声音。
自由沸腾有几个特点：1.气泡的大小和数量与热量输入有关，热量越大，气泡越大、数量越多。
2.自由沸腾过程中，液体温度一般保持稳定，即沸点温度。
3.自由沸腾是一种较低强度的传热方式，适用于许多物质的加热和热交换。
自由沸腾在自然界和工业生产中广泛应用，比如烧水时水壶内的水开始沸腾，火锅内的油开始沸腾等。
自由沸腾的产生对于传热和相变有着重要的作用，能够提高加热效率，并且能够在液体受热后迅速蒸发，减少热量损失。
沸腾崩溃沸腾崩溃是指液体在受热时，液体内部只有某个局部区域能够产生气泡，其他部位仍然处于相对静止的状态。
沸腾崩溃是一种不稳定的沸腾状态，当这个局部区域的气泡迅速上升并破裂时，周围液体的温度突然升高，产生爆炸性蒸汽，伴随着巨大的响声和喷涌。
沸腾崩溃有几个特点：1.沸腾崩溃的产生与液体的热传导性能有关，一般发生在热传导性能较差的液体中。
2.沸腾崩溃的过程瞬间而猛烈，可以产生巨大的热能和动能，对周围环境造成冲击和损坏。
3.沸腾崩溃常发生在不均匀加热的液体中，例如在加热过程中产生了局部的过热区域。
沸腾崩溃在实际应用中应尽量避免，因为它会对设备和环境造成不可预测的破坏。
为了避免沸腾崩溃，可以采取以下措施：1.均匀加热：避免液体出现不均匀加热的情况，减少局部过热的可能性。
2.提高热传导性：选择热传导性能好的材料或加入热传导性能增强的物质，提高液体的整体热传导性能。
沸腾机理及沸腾曲
谢谢！
过渡沸腾区： 规律：从峰值点进一步提 高△T，传热规律开始出现变 化。热流密度不随其升高而提 高，反而越来越降低。 原因:气泡的产生速度大 于气泡的排除过程，气泡汇聚 在加热面上，排除过程趋于恶 化，其过程很不稳定。
膜态沸腾区 规律：热流密度q随增加 而增大。 原因：加热面上已形成稳 定的蒸汽膜层，产生的蒸汽开 始有规律的排离膜层。 特点：热量必须穿过热阻 较大的气膜，虽然其传热强， 但其温压也大。
沸腾曲线及沸腾 传热机理
热动08热动08-2 刘海鹏
பைடு நூலகம்
什么是沸腾 沸腾曲线分析及相应 阐述沸腾传热机理
什么是沸腾
气化的 一种形式
流体的运动是由于 温差和气泡的扰动 所引起的
沸腾
沸腾曲线分析(大容器沸腾) 沸腾曲线分析(大容器沸腾)
泡核沸腾区：当△T≥4℃，壁面上 个别地方开始产生气泡，气化核 心产生的气泡彼此互不干扰，称 为孤立气泡区。 随着△T进一步增加，气化核心区 中，气泡扰动剧烈，传热系数和 热流密度急剧增加。 核态沸腾具有温压小、传热强的 特点，一般工业都用在这个区。
管内沸腾曲线分析
根据图所示： 流入管内的未饱和液体被管壁加热，到达一定地点时 壁面开始产生气泡。此时液体主流尚未达到饱和温度，处 于过冷状态，这时的沸腾为过冷沸腾。 继续加热而使液流达到饱和温度时，即进入了饱和核 态沸腾区。饱和核态沸腾区经历着泡状流和块状流。含气 量增加到一定程度，大气块进一步合并，在管中心形成气 芯，把液体排挤到壁面，呈环状液膜，称为环状流。此时 传热进入液膜对流沸腾区。 环状液膜受热蒸发，逐渐减薄，最终液膜消失，湿 蒸气直接与壁面接触。液膜消失称为蒸干。之后进入饱和 蒸汽区。此时，传热恶化，壁面温度开始猛升。
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l —饱和液体的动力粘度；
Cwl — 取决于加热表面－液体组合 情况的经验常数；
q — 沸腾传热的热流密度；
s — 经验指数，水s = 1,否则s=1.7。
14
沸腾传热系数计算
表 取决于加热表面－液体组合情况的经验常数Cwl
15
沸该腾式传还可热以系改数写计成算以下便于计算的形式
汽泡的产生和脱离速度几乎不 变，在壁面上形成稳定的汽膜。
E 区：辐射比例小 F区：辐射所占比例越来越大
CDቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
F
AB
E
9
沸腾传热机理
管内沸腾传热：
➢ 竖直管内强制对流沸腾：
流动类型 • 单相水 • 泡状流 • 块状流 • 环状流 • 单相汽
换热类型 • 单相对流换热 • 过冷沸腾 • 液膜对流沸腾 • 湿蒸汽换热 • 过热蒸汽换热
上式可以改写为：
q
l
r
g(l
v
)
1
2
C pl
Cwl
r
t Prls
3
（*）
可见，q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到
的q与实验值的偏差高达100％，但已知q计算 t 时，
则可以将偏差缩小到33％。这一点在辐射换热种更为 明显。计算时必须谨慎处理热流密度。
16
沸腾传热系数计算
安全工程系列讲座 传热强化新技术及其工程应用
沸腾传热过程
周帼彦 副教授 2011-10-18
提纲
1 沸腾传热过程简介
2 沸腾传热机理 3 沸腾传热系数计算
4
影响沸腾传热的主要因素
5
沸腾传热过程强化
2
沸腾传热过程简介
沸腾传热：
✓ 物质由液态变为气态时发生的换热 ✓ 与冷凝是相反过程 ✓ 沸腾比凝结复杂得多 ➢ 主要特征：
热的设想。
13
沸腾传热系数计算
罗森诺基于St = f ( Re, Pr )也应该适用于沸腾换热的理 念，通过大量实验得出了如下实验关联式：
St 1 Cwl Re0.33 Prls
St Nu r Re Pr C pl t
Re
q
l r
g(l v )
Prl
C pll l
式中，r — 汽化潜热；
➢ 库珀（Cooper）公式：
h
Cq
0.67
M
0.5 r
prm ( lg
pr
) 0.55
C 90 W0.33 /(m0.66 K)
m 0.12 0.21lg Rp μm
式中：Mr 为液体的分子量； pr对比压力（液体的压力与其临界压力之比； Rp为表面粗糙度。
液体内部有气泡产生。 实验表明，气泡是在紧贴加热表面的液层内首先生成。 ➢ 汽化核心： 实验发现气泡是在粗糙加热面上过热度最大的细小凹 缝上产生，这些点称为汽化核心。
3
沸腾传热过程简介
沸腾传热分类：
➢ 按流动动力分： ✓ 大容器(或池)沸腾(Pool boiling)
——加热壁面沉浸在有自由表面液体中所发生的沸腾。 液体的运动由自然对流和汽泡的扰动所引起。
10
沸腾传热机理
➢ 水平管内强制对流沸腾：
11
沸腾传热机理
管内沸腾传热：
✓ 无相变：液体进入管内至开始产生汽泡。 液体开始产生汽泡时，液体主体尚未达到饱和温度，处
于过冷状态，称为过冷沸腾。 ✓ 泡状沸腾区：继续加热而至饱和温度时。
形成泡状流和块状流(汽泡汇合成块)，随着蒸汽含量的进 一步增加，大汽块进一步合并，在管中心形成汽芯，称为环 状流。环状液膜受热蒸发，逐渐变薄，直至液膜消失，称为 蒸干。 ✓ 单相传热区：对湿蒸汽继续加热，最后进入干蒸汽的单相 传热区。
✓ 强制对流沸腾(Forced convection boiling) ——液体在外力的作用下，以一定的流速流过壁面时 所发生的沸腾换热。 汽泡不能自由升浮，而是受迫随液体一起流动，形成 汽—液两相流动，沿途吸热，直至全部汽化。 工业上的沸腾换热多属于此，如：冰箱的蒸发器。
4
沸腾传热过程简介
➢ 按主体温度分： ✓ 过冷沸腾(Subcooled boiling)
➢ 气泡生成的必要条件： ✓ 液体必须过热，即液体的温度高于相应压强下的饱 和温度ts ； ✓ 加热壁面上应存在有汽化核心。
➢ 传热表面的汽化核心： 传热表面的汽化核心与该表面的粗糙程度、氧化情
况以及材质等诸多因素有关，是一个十分复杂的问题。 一般认为：粗糙表面上微细的凹缝或裂穴最可能成
为汽化核心，在凹穴中吸附了微量的气体或蒸汽，这里 就成为孕育新生汽泡的胚胎。
➢ 沸腾曲线： 液体主体达到饱和温度ts，随壁面过热度⊿t=tw-ts的
增加，沸腾传热表现出不同的传热规律。液体在一个大 气压力下沸腾传热热流密度q与壁面过热度⊿t的变化关 系，称为沸腾曲线。
7
沸腾传热机理
大容器饱和沸腾曲线：
➢ A 然对流区pure convection t<4℃ 过热液体对流到自由液 面后蒸发
——液体的主体温度低于相应压力下饱和温度时的沸 腾换热。
气泡在脱离壁面前或脱离之后在液体中重新凝结。 ✓ 饱和沸腾(Saturated or bulk boiling)
——液体的主体温度等于相应压力下饱和温度时的沸 腾换热。
从加热面产生的气泡在离开加热面上升的过程中 不会再重新凝结。 如：烧开水
5
沸腾传热机理
12
沸腾传热系数计算
大容器饱和核态沸腾：
➢ 米海耶夫公式：
对于特定介质水，在 105—4×106 Pa下米海耶夫推荐采 用下式计算：
h 0.1224 t 2.33 p 0.5
由 q=ht，消去t，得
h 0.5335 q 0.7 p 0.15
➢ 罗诺森公式：
基于核态沸腾换热主要是汽泡高度扰动的强制对流换
6
沸腾传热机理
由于壁温较高、周围过热液体温度也略高于气泡内 的温度，热量不断传入气泡，使周围液体继续汽化，气 泡不断长大，直至在浮力的作用下离开壁面。而后周围 液体便涌来填补空位，经过加热后又产生新的气泡。
沸腾给热时，由于气泡的生成和脱离，对近壁处的
液层产生强烈的扰动，使热阻大为降低，沸腾 无相变
➢ B,C核态沸腾区Nucleate boiling B 孤立汽泡区： 汽泡彼此不干扰， 对液体扰动大， 换热强 C 汽块区： 扰动更强q上升
C AB
8
D F
E
沸腾传热机理
➢ D过度沸腾区 Transition boiling regime
汽泡迅速形成，许多汽泡连成一 片，在壁面上形成一层汽膜，汽膜 的导热系数低。 ➢ E,F稳定膜态沸腾区 Stable film boiling regime