水箱沸腾加热过程的数值模拟*

吴艳阳 傅 捷 赵旭伟 余 侃

（武汉工程大学机电工程学院)

水箱沸腾加热过程的数值模拟*

吴艳阳**傅 捷 赵旭伟 余 侃

（武汉工程大学机电工程学院)

为了解沸腾换热的机理，分析了水箱内的水到达饱和状态时的沸腾情况。对水箱沸腾加热过程进行了模拟，通过求解蒸汽连续性方程和液体连续性方程，得到了速度场、压力场、温度场和蒸汽体积比例并进行了比较研究。结果发现，若水已经到达饱和状态且加热板表面为光滑表面，由于温差不同，沸腾的情况也不相同。

沸腾传热 水箱 换热系数 热流密度 模拟 连续性方程

0 前言

沸腾传热主要以液相变为气相时的汽化潜热方式传递热量，能以较低的过热度获得高传热系数。许多沸腾换热设备需要通过强化工质来换热，以提高沸腾临界热负荷和提高设备安全性能。因此，研究沸腾传热机理及相关强化技术，对于节能、新能源利用及安全生产等均具有重要意义。本文利用多相流混合模型，对水箱内的水在沸腾临界点的加热过程进行了模拟计算，通过求解蒸汽连续性方程和液体连续性方程，得到了速度场、压力场、温度场和蒸汽体积比例分布，并对水箱内的水到达饱和状态时的沸腾情况作了详细分析。

1 计算条件及数学物理模型

1.1 物理模型

本文研究的是水箱内水的沸腾加热过程，选取的计算流域为20 cm×50 cm的二维方腔。二维方腔网格数为40个×100个，网格图如图1所示。二维方腔底部中心处有一长10 cm的加热板。初始时刻，水箱中的水 （作为基本相）其温度接近沸点（372 K）。容器底部固壁中心区域的温度比水的沸腾温度高，为573 K（加热板温度）。由于热传导的原因，贴近底部固壁附近的水温度逐渐增加并超过饱和温度 （373 K），从而生成了蒸汽泡；由于浮力的原因，蒸汽泡上升，从而形成一群蒸汽泡上升和蒸汽从顶部脱离液体的状态，并使水在容器中流动起来。

1.2 控制方程

在三维、非稳态、忽略重力影响、常物性条件下，其流动与传热满足如下控制方程。

连续性方程：

式中ui、uj——分别为i、j方向的速度；

xi、xj——分别为i、j方向的坐标；

ρ——流体的密度；

p——压力；

μ——流体的动力黏性系数；

T——温度；

t——时间；

λ——流体的导热系数；

Cp——定压比热容。

1.3 边界条件

计算流域的顶部出口直接与大气接触，顶部出口的出流断面表压为0，回流平均温度为372 K，气体回流体积分数为0。底部加热段 （加热板处）热条件温度为573 K。其他固壁温度为372 K，其热通量为0（保证壁面绝热）。

图1 流域网格图

2 计算结果与分析

通过对水箱加热过程中液态水的速度、蒸汽体积比例、压力和温度等参数的分析，来探究水箱内的水达到饱和时的沸腾情况。

由图2～图6可见水沸腾的状况。如水已经达到饱和状态且加热板表面为理想光滑表面，温度不同，沸腾的状况也不相同。

图2 t=3.0 s时液态水的速度分布云图

图3 蒸汽体积比例分布云图

图4 压力分布云图

（1）自然对流沸腾。在加热面与饱和水之间温差比较小的条件下 （≤5 K），为自然对流沸腾。加热面表面温度略高于饱和温度，可维持气泡的形成，但此范围内流体的运动是由自然对流的作用所确定。其对流换热系数基本上随温差的1/4(层流)或1/3（湍流）次方变化，热流密度则随温差的5/4（层流）或4/3（湍流）次方变化。

（2）核态沸腾。壁面与饱和水之间温差在5～30 K之间时，发生核态沸腾。当温差在5～10 K之间时，孤立气泡形成并脱离加热的表面 （计算流域底部加热板）。气泡脱离加热的表面使该表面附近流体形成强烈的混合，使对流换热系数和热流密度大幅度提高，但热量的传递还是由表面直接传递给表面上运动的流体。当温差处于5～30 K之间时，有更多的气泡形成，并发生气泡的相互干扰和合并，使蒸汽以射流或汽柱形态离开表面，汽柱随后合并成蒸汽团。密集分布的气泡相互干扰抑制了表面附近流体的运动，使部分热量传递需要越过气态界面，而且温差越大，这部分的比例也越大，所以对流换热系数在某处会有一个最大值。热流密度始终与换热系数和温度的乘积成正比，故热流密度在上述温度范围内随温度的增加而增加。一旦出现大量蒸汽将壁面和液体隔开，对流换热系数就大幅度下降，此时热流密度亦随之下降，故有使热流密度达到一个最大值的温差状态存在，该热流密度就是临界热流密度。

（3）过度沸腾。过度沸腾时壁面与饱和水的温差在30～120 K之间。此时，气泡形成非常迅速，以至加热表面上间断性地形成连续相的蒸汽层或蒸汽膜。由于气体的导热系数明显比液体的小，即便温差还在增加，但热流密度反而比临界热流密度小。

（4） 膜态沸腾。 进一步增加温差 （＞120 K）时，连续性的膜相会基本稳定地附着在加热表面，且膜的厚度随温差增加而变厚，并使热流密度逐渐下降，以至会产生一个热流密度最小的状态点。在此状态点以后，当温差继续增加时，穿透气泡层的辐射传热将逐渐增加，从而使热流密度又进入一个增加的阶段。

图5 温度分布云图

图6 t=3.0 s时速度矢量图

3 结论

本文对水箱内水的沸腾传热过程进行了模拟分析，重点分析了水箱内从刚开始产生气泡到沸腾的过程中温度、压力和速度的变化。通常，有4种沸腾状况。其中在核态沸腾中先产生孤立的气泡，而后形成更多的气泡，并发生气泡的相互干扰和合并，使蒸汽以射流形态离开加热表面。对气泡形成和运动的研究，有利于进一步认识沸腾传热机理。此外，在沸腾过程中，对流换热系数和热流密度都会达到一个最大值，研究这个最大值有助于更有效地提高传热效率。

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Numerical Simulation of Boiling Heating Process in Water Tank

Wu Yanyang Fu Jie Zhao XuweiYu Kan

To understand the mechanism of boiling heat transfer,the boiling situation of the water reached saturated conditions in tank was analyzed.In this paper,the boiling heating process was simulated,by solving the continuity equation of vapor and liquid,the velocity field,pressure field,temperature field and steam volume ratio were obtained and a comparative study was made.The results showed that,if water had reached saturation point and the heating plate had smooth surface,due to temperature difference,the boiling situation was varied.

Boiling heat transfer;Water tank;Heat transfer coefficient;Heat flux density;Simulation;Continuity equation

TQ 021.3

国家自然科学基金资助项目 （50906065）。

**吴艳阳，男，1974年生，博士，讲师。武汉市，430074。

2011-10-18）