电场作用下肋表面电对流现象的可视化研究

高明+刘夷平+全晓军+章立新

摘 要： 电场可强化池态沸腾换热已经得到研究者的普遍认可.以往研究者主要针对光滑表面、加热管或加热线表面的电场强化换热进行研究.在光滑表面增加肋结构可以改变加热面附近的电场分布，从而影响加热面的换热效果.以R113作为实验工质，搭建了可视化的池沸腾实验台，采用高速摄像机记录了肋高为2 mm的加热面在电场作用下的电对流现象.实验发现，电对流随着施加电压的升高而增强，电对流加速了加热面附近流体的混合，破坏了热边界层，使得加热面温度降低从而强化了换热.

关键词： 电对流； 肋表面； 电水动力学

中图分类号： TK 124文献标志码： A

文章编号： 1008-8857（2016）03-0164-05

Abstract： It has been widely recognized by researchers that electric field can strengthen the pool boiling heat transfer.Previous researches focused on electrohydrodynamic（EHD） enhancement of pool boiling heat transfer on smooth surface，heating pipe，and heating wire.Adding rectangular rib structure on a smooth surface can change the electrical field distribution and heat transfer ability of a heating surface.Highspeed camera was utilized to record the electroconvection phenomena on a surface with rib height of 2 mm using R113 as working fluid.It was found that with the increasing of applied voltage，electroconvection was enhanced.It facilitated the fluid mixing on the heating surface and broke the thermal boundary layer，which decreased the wall temperature and thus enhanced the heat transfer.

Keywords： electroconvection； rib surface； electrohydrodynamics

早在1916年Chubb[1]就曾指出外加电场对加热流体可起到强化作用.20世纪80年代以来，很多学者对EHD（electrohydrodynamic）强化换热进行了实验研究.流体在电场中所受的电场力Fe可以表示为[2]

式中：ρe为电荷密度；ρ为流体密度；E为电场强度；ε为介电常数；T为温度.

式（1）中等式右边第一项为电场施加于流体中自由电荷的库仑力，称为电泳力（electrophoretic force），电泳力的方向取决于自由电荷的极性和电场的方向，当流体中电流很小时该项可以忽略[3]；第二项表示电场作用下由于介电常数ε的空间变化而产生的施加于流体上的力，称为介电泳力（dielectrophoretic force），在两相流中介电泳力的产生主要是由于汽相与液相间的介电常数的差别，该项力常用来判断电场中汽泡的运动方向[4]；第三项表示由电场强度空间分布的不均匀性以及介电常数随介质密度变化而产生的施加于流体上的力，称为电致伸缩力（electrostriction force），对于不可压缩流体可以省略[5].

关于电场对汽泡动力学的影响，已经有很多报道，例如：Chen等[6-9]和文献[10-12]分别利用网状电极和平板电极研究了空气气泡在直流高压电场作用下的动态特性，在电场作用下注入气泡明显被拉长；Ogata等[5]利用网状电极研究了混合相变液体的EHD强化沸腾换热现象，实验发现，在电场作用下汽泡数量明显增多，汽泡直径减小，并指出由于液相和汽相的介电常数不同，在介电泳力的作用下汽泡被压向换热面；Karayiannis等[13] 以R123为工质，利用棒状电极和20 kV的直流高压电研究了EHD沸腾现象，结果发现平均换热增强了4.9倍；Kweon等[14] 利用平板电极和统计学的方法研究了电场作用下加热线的沸腾现象，并引进了潜热换热和对流换热所占比例的概念.

以上研究均针对冷态注入气泡或沸腾汽泡进行，而针对电对流进行的研究很少，例如Siedel等[15]观察到了类似的单相对流，但只是提及并未对其做深入研究.本文建立了池沸腾实验台，通过高速摄像机记录了不同电场强度下肋表面电对流的运动规律，对深入研究电场强化换热具有积极的意义.

1 实验装置及过程

1.1 实验装置

电场作用下池沸腾系统如图1所示，主要组成有沸腾容器、实验段加热芯、恒温槽、蒸汽冷凝盘管、池内恒温盘管、高压电源、加热电源、温度采集仪和高速摄像机等.

本实验中所用的工质为R113，其对有机材料具有一定的腐蚀性，因此设计了一套全玻璃的沸腾池，如图1（a）所示.沸腾池的上、下各有一组盘管，上部为冷凝盘管，下部为恒温盘管.容器的有效腔体尺寸为14 cm×14 cm×14 cm.容器的四周玻璃壁面由厚度为10 mm的超白玻璃通过白色高温陶瓷胶粘贴而成；容器的上、下壁面均由厚度为19 mm的超白玻璃加工制成，且均开有深2 mm、宽12 mm的凹槽，用于固定四周玻璃壁面；下壁面中心位置开有Φ 45 mm的通孔，用于安装聚四氟乙烯保温套；上壁面开有5个Φ 8 mm的通孔，用于安装冷凝盘管、恒温盘管和高压电极，高压电极与改装后的游标卡尺连接.

沸腾池的核心部件为加热芯体，如图1（b）所示.从图中可以看出，加热芯体由加热棒、铜柱、聚四氟乙烯保温套和测温热电偶组成.加热棒与聚四氟乙烯保温套之间用高温陶瓷胶密封.由于聚四氟乙烯与高温陶瓷密封胶很难粘牢，因此在两者粘贴处开了一个2 mm×2 mm的环形凹槽，这样能够增加密封胶与保温套的接触面积，从而可以有效地防止实验过程中工质的渗漏.在铜柱的上表面制作实验用的矩形表面，下表面开有5个用于放置加热棒的孔.在加热芯中共布置9支T型热电偶，每3支为一组布置在同一平面内且呈120°分散排列，三组热电偶沿热流方向以5 mm间隔分布，最上面一组热电偶距离加热面底部5 mm.

加热面由紫铜棒精加工而成，如图1（a）所示，加热面上的矩形肋高为2 mm，肋宽为1 mm，肋间距为2 mm.本实验所用电极为网状电极，电极网的金属丝由直径为0.2 mm的304不锈钢制成，网眼尺寸为1 mm×1 mm.首先将金属网固定在厚度为2 mm的聚四氟乙烯套圈上，金属网通过电极引线与高压电源相连.套圈与固定杆（材料为聚四氟乙烯）之间由四根铁丝固定（铁丝不与电极网相连），通过铜棒将固定杆与电极高度调节尺连接，调节尺的调节精度为0.02 mm.

1.2 实验过程

为了研究电场对沸腾换热的影响，采用在恒定热功率下分别施加不同电压的方法进行实验.该方法的优点是能够保证施加电压前实验条件的一致性.例如，分别施加不同高压电前，每种情况都处于相同的壁面温度和流体温度下，因此能够准确地测量施加不同电压时，相对于电压0 V时壁温下降或升高的数值.

2 实验结果及分析

2.1 施加电场瞬间电对流的变化

R113常压下的沸点为47.5℃.实验中沸腾池内工质的温度维持在45℃左右.随着加热功率的升高，壁面温度会高于工质的沸点，因此在加热壁面上存在过热边界层.边界层内的热流体在浮升力的作用下缓慢上浮，从而发生冷热流体的混合.由于冷热流体的密度不同，因此当光线穿过加热壁面上方的流体时，光线会发生偏折，并且在高速摄像机采集到的图片上呈现出明暗的变化.施加电流瞬间电对流变化如图2所示，图中：q为热流密度；V为所施加的电压；t为时间.

从图2中可以看出，在加热面的上部看到明显的絮状“烟雾”，在肋片的顶角处尤为明显.“烟雾”的形状反映出加热面上热对流的形态.电对流的产生主要是由于液体的介电常数是温度的函数，温度高的地方介电常数小，这样就会在热边界层内的流体中产生介电常数梯度.由于介电常数的不同在电场的作用下热边界层内的流体会产生极化电荷，极化电荷受到电场力的作用促使流体从场强高的地方向场强低的地方运动，便产生了电对流效应.

图2为q=7 736 W·m-2时，在5 000 V电场作用下电对流的瞬间变化.电对流可以通过热对流的可视化反映出来.从图2中可以看出：在没有施加电场时，热对流呈现出向中间聚拢并上升的状态（t=0 s）；在施加电场的瞬间，热对流从肋的顶部开始向下运动（t=0.02 s），并逐渐扩展到整个肋的表面（t=0.04～0.2 s）；在施加电场2 s后，加热面的热对流基本达到稳定状态，壁面呈现均匀的热对流现象（t=2 s）.

2.2 稳态时电对流状态

图3为q=7 736 W·m-2时，在不同强度电场作用下电对流达到稳定后加热面的情况.从图中可以看出，随着电压的升高，加热面上的热对流混合越发均匀，并且热对流向加热面四周波及的范围越广.当电压为0 V时，加热面的肋上部出现明显的热对流现象，并且对流呈现出向中间聚拢的状态；当电压为1 000 V时，热对流扰动开始增强，肋上部的扰动尤为明显，但加热面上的扰动仅仅存在于其上方的空间；当电压为2 000 V时，扰动扩展到加热面上方以外的区域，此时加热面上有些地方的热对流仍然呈现出连续的絮状对流；随着电压的进一步增加，电对流的影响区域进一步扩大，热对流的扰动也进一步增强，连续的絮状对流越来越少，当电压为5 000 V时已经很难发现连续的絮状对流.

2.3 电对流对换热的影响

从以上的分析可以看出，当施加电场后加热面的电对流明显增强，电对流效应使得加热面附近的冷热流体混合更充分，冷热流体的强烈混合破坏了热边界层，从而使得壁面温度降低.图4为施加不同电压后壁面温度的变化规律.从图中可以看出，施加电压后壁面温度降低，并且电压越高壁面温度降低得越明显.本文中加热面采用恒定热流加热，壁面温度降低说明换热得到了增强.

3 结 论

本文建立了可视化的池沸腾试验台，观察到了电场作用下肋加热面上的电对流现象，得到如下结论：

（1） 在电场作用下，电对流的运动方向指向加热面，增强了加热面附近流体的混合；

（2） 电对流现象随着施加电压的升高而加强；

（3） 电对流破坏了热边界层，使得加热面温度降低，并且电压越高壁面温度降低越明显.

参考文献：

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