电场作用下沸腾气泡行为实验

杨侠，杨清，吴艳阳，万攀，刘丰良

（武汉工程大学机电工程学院，湖北 武汉 430073）

电水动力学（electrohydrodynamics，简称EHD）是一种新型有效的强化传热技术，是通过将电场引入传热学领域，利用电场、流场、温度场场协同作用以达到提高传热效率的主动强化传热技术。电场强化沸腾传热技术具有能耗小、效率高且能适应温差小和易于实现等优势，近年来引起了国内学者广泛的关注[1-3]，对节约能源、研究开发新型强化传热技术的推广及应用具有重要意义。1916年英国学者Chubb[4]最早发现EHD强化沸腾传热想象，实验中在施加电场条件下水蒸发速度相对于未加电场条件下提高了3倍，从此人们开始重视EHD强化传热技术。目前研究结论普遍认为[5-7]：EHD强化沸腾传热的强化效果明显，其主要源于电场力对气泡界液面的作用——电场力对气泡层产生扰动导致传热表面热阻减小。目前国内外针对电场作用下冷态气泡行为研究比较多，结论也基本一致，认为外加电场工况后气泡表面张力不均匀、气泡沿场强方向拉伸变形、气泡长径变大、脱离直径变小等[8-10]。基于电场作用下沸腾气泡行为的研究也是阐释 EHD强化沸腾传热强化机理的关键及沸腾气泡行为的随机性、过程的复杂性和实验条件的差异性，国内外对沸腾单气泡在电场作用下的相关研究及理论分析非常有限。

为此，本文自行了设计了一套可视化 EHD沸腾气泡行为观察实验台，以水为实验工质，通过高速摄像机实验观察不电场强度下、热流密度下组合工况下对单个沸腾气泡的生长过程，并定量地分析电场及热流密度对单个沸腾气泡的脱离形态、脱离周期等行为参数的影响去进一步阐释 EHD强化沸腾传热机理。

1 实验装置及实验过程

1.1 实验装置

实验系统如图1所示，它主要包括沸腾气泡实验腔室、高速摄像机、高压电源、光源、调压器、采集计算机等组成。沸腾气泡实验腔室主要包括四方透明可视化容器和测试部件，其中四方透明可视化容器采用钢化玻璃制成，尺寸为300 mm×300 mm×300 mm。测试部件如图2所示，主要由加热板、电极和绝热层组成，加热板采用高导热率紫铜加工而成，其中紫铜加热板离上表面5 mm处埋有最大功率为2000 W的加热管，紫铜加热板加热面尺寸为170 mm×170 mm，并在紫铜加热面引出接线直接接地形成负极。

图1 实验装置图

图2 测试部件图

为了在水沸腾的过程中能观察到单个沸腾气泡，在紫铜板加热表面开有孔径约为2 mm形成人工气穴，人工气穴具有洁化等优势且在一定热流密度工况下人工气穴优先形成气泡。为了保证紫铜加热板产生的热量最大化的传给加热面产生沸腾气泡，在紫铜加热板底面及四周通过特殊绝热材料做成绝热层，保证紫铜加热板的热量尽可能的从加热面传递给实验工质。距离铜板30 mm处安装自制的条形电极，电极与铜板之间通过4根环氧树脂绝缘棒固定，电极引出接线接入高压电源的正极，高压电源采用型号为 DW-P503-10ACEC高压直流稳压电源，具有输出电压可调且范围宽等特点和内部设有过流保护及短路保护，其输出电压范围为−50～50 kV，输出电流为2 mA。

加热面上人工气穴产生的气泡生长过程通过采用日本NAC公司生产的型号为hotshot512sc高速摄像机拍摄完成。该型号高速摄像机满幅分辨率为1280×1024，该分辨率下的拍摄速度为500 fps，综合整体考虑，本实验进行实验拍摄时，设置分辨率为1280×800，采集帧率为1000 fps。加热面上人工气穴产生的气泡的脱离周期及脱离形态通过高速摄像机拍摄的图片确定，气泡的上升速度和加速度可通过后处理hotshot512sc软件对气泡进行跟踪得出气泡在上升过程的速度与加速度。实验中为了更清晰地通过高速摄像机拍摄气泡在不同热流密度、电场强度下的生长过程，在四方透视可视化容器两角处放有160 W光线光源，使光均匀分布在容器中。

为了调节紫铜加热板加热面的热通量，通过功率为2.5 kW调压器控制紫铜板的加热量，紫铜板的加热热通量通过调压器的电压值及紫铜板中加热管的电阻值来确定，热通量的误差值可估算为1.5%[11]。

1.2 实验过程

（1）按照实验系统装置图连接各个部件。

（2）打开调压器，调整紫铜加热板合适功率后连续加热0.5 h进行除尽水中的空气以免干扰判断是否是水沸腾产生的气泡。

（3）打开光源、调整高速摄像机光圈及焦距，能清晰可见气泡的生长及脱离过程，打开预拍状态。

（4）将调压器调试不同合适的电压来调节紫铜加热板的功率，每次调节持续10 min后且在人工气穴处产生气泡为判断基准，然后通过高速摄像机对气泡进行跟踪拍摄。拍摄完成之后将拍摄的图像储存在采集计算机中，通过计算对气泡的行为物理量进行相应的分析和描述。

2 实验结果分析

2.1 气泡的生长过程

图3显示了当热流密度为4.62×106W/m2及不同电场强度条件下气泡的生长过程。

图3 热流密度为4.62×106W/m2时气泡的生长过程图

由图3中可见，外加电场后，气泡沿着场强方向拉伸变形，且随着电场强度的增加，拉伸变形越明显。根据气泡动力学理论可知，外加电场作用后，气泡不仅受到表面张力、重力、浮力之外作用，还受到电场力作用，电场力在沿着气泡两极方向拉伸气泡，最终导致气泡在沿着场强方向拉伸变形。

2.2 气泡脱离时刻的长径比

定义气泡脱离时刻的长径比为 α=d/w如 4所示，d为脱离时刻气泡的长轴，w为气泡脱离时刻的短轴。图5显示了不同热流密度条件下气泡脱离时刻的长径比与电场强度之间的关系，图6显示了不同电场强度条件下气泡脱离时刻的长径比与热流密度之间的关系。

图4 实验中气泡测量尺寸示意图

图5 气泡脱离时长径比与电场强度之间的关系图

图6 气泡脱离时长径比与热流密度之间的关系图

从图5和图6中可知，外加电场工况后，气泡脱离时的长径比随着场强的增大而增大，同时在同一电场强度条件下，气泡脱离时刻的长径比也随着热流密度的增大而增大。在本实验条件下，电场对气泡脱离时刻的长径比最大能达到1.558。由电动力学理论可知，外加电场后气泡受到电场力的影响，即影响了气泡所具有的自由能而改变了气泡的气泡脱离时刻的长径比。热流密度的改变主要影响了气泡的膨胀能来改变气泡脱离时刻的形态。

2.3 电场气泡的脱离周期的影响

设定气泡从人工气穴处产生的一刻为气泡脱离周期的零时刻，气泡与人工气穴处分开的一刻为终止时刻，即从零时刻到终止时刻所需要的时间为气泡的脱离周期。为了减小实验仪器粗糙度以及外界条件的干扰等不可避免因素对气泡脱离周期的影响和高实验数据的精确性，在每组不同组合工况下选取多个气泡的脱离周期，并求出它们的平均值近似表示该组合工况下气泡的脱离周期。见式（1）。

图7 气泡脱离周期与电场强度之间的关系图

图8 气泡脱离周期与热流密度之间的关系图

从图7和图8中可以看出，外加电场工况后气泡的脱离周期明显减小，且随着电场强度和热流密度的增大而减小。气泡动力学分析可知，外加电场作用后，气泡不仅受到张力、浮力作用之外，还受到电场力作用，电场力垂直与池内拉伸气泡，改变了原来气泡受力状态，最终导致气泡的脱离周期随着场强的增大而减小。

3 结 论

通过对比不同电场强度、热流密度下沸腾后的单个气泡行为特性进行了实验研究，得出如下结论。

（1）电场和热流密度对气泡的脱离形态有一定的影响：气泡沿着场强方向拉伸变形且随着电场强度和热流密度的增大，气泡的拉伸变形越明显；气泡的脱离长径比随着场强和热流密度的增大而增大。

（2）外加电场工况后，气泡的脱离周期明显变小且随着场强的增大而减小；同一电场强度条件下，气泡的脱离周期也随着热流密度的增大而减小；电场对气泡脱离周期的影响明显大于热流密度对气泡脱离周期的影响。

（3）电场和热场协同作用后，强化传热效果明显强于单一工况下的强化传热效果。

[1]陈凤，彭耀，宋耀祖，等. 电场对注入气泡和沸腾气泡影响的实验研究[J]. 工程热物理学报，2007，28（4）：679-681.

[2]杨侠，张捷，吴艳阳，等. 以水为工质的EHD强化管内对流换热实验研究[J]. 热能动力工程，2011，26（5）：547-550.

[3]刘永启，李瑞阳，郁鸿凌，等. 中心圆柱电极EHD强化垂直管内沸腾换热的实验研究[J]. 化工学报，2004，55（4）：545-549.

[4]Clubbl L W. Methods for liquid heaters and improvement of their devices：UK，100796[P]. 1916.

[5]董伟，李瑞阳，郁鸿凌，等. 电场作用下气泡的行为研究[J]. 能源研究与信息，2004，20（2）：110-115.

[6]刁彦华，赵耀华，王秋良，等. R-113池沸腾气泡行为的可视化及传热机理[J]. 化工学报，2005，56（2）：227-234.

[7]Cho H J，Kang I S，Kweon Y C. Numerical study of the behavior of a bubble attached to a wall in a non-uniform electric field[J].International Journal of Multiphase Flow，1996，22（5）：909-922.

[8]杨侠，杨清，吴艳阳，等. 电场作用下冷气泡行为试验研究[J]. 水电能源科学，2012，30（10）：17-175.

[9]董智广，郁鸿凌，董伟，等. 均匀电场作用下气泡变形的研究[J].上海理工大学学报，2010，32（5）：409-412.

[10]董智广，程道来，郁鸿凌，等. 电场对注入气泡和沸腾汽泡影响的研究[J]. 上海理工大学学报，2012，34（5）：491-493.

[11]刁彦华，赵耀华，王秋良，等. R-113池沸腾气泡行为的可视化及传热机理[J]. 化工学报，2005，56（2）：227-234.

[12]栗弗席兹. 连续媒质电动力学（上）[M]. 周奇，译. 北京：人民教育出版社，1956.