池沸腾噪声产生机理研究及其控制技术

梅长云 刘丰收 刘华 付天琳 常见虎 许志华

1.美的集团生活电器事业部 广东佛山 528300；2.美的集团冰箱事业部 安徽合肥 230601

1 引言

沸腾作为一种常见的物理学现象，在剧烈的传热及传质过程中伴随大量气泡的产生、聚并、脱离、破裂等现象[1,2]。以液态水为工质的池沸腾在家电领域有着非常重要的应用价值，如电水壶烧水过程、饮水机加热烧水过程等。随着加热技术的发展，加热功率呈不断增大的趋势，甚至超过2000 W，而烧水过程常伴随有巨大的沸腾噪声，导致消费者对产品的体验变差，同时产生大量的用户投诉。国内外学者主要从传热特性研究、数值模拟、传热实验研究等方向对池沸腾传热机理进行了大量研究[3-5]。近年来，具有独特浸润性的表面在沸腾传热领域的应用也越来越多地受到人们的关注，但对池沸腾过程中产生噪声问题的机理却鲜有研究。因此本文从气泡演变过程与噪声的关系为主轴，并结合表面接触角对气泡分离的影响分析，对池沸腾噪声产生机理进行了研究，同时通过控制表面接触角，达到抑制噪声的目的。

2 池沸腾噪声产生机理分析

2.1 池沸腾噪声

本文以功率为2000 W，直径为120 mm，高度为300 mm的圆柱池为研究对象，其中圆柱池采用常用的304不锈钢材质，热源为环形发热管，环形发热管与圆柱池焊接，工质为纯净水。

池沸腾过程可分为四个阶段，如图1所示，自然对流阶段：壁温tw＜104℃，壁面无气泡，壁面和水之间传热依靠自然对流。核态沸腾阶段：壁温104℃≤tw≤140℃，气化核心在加热区产生，并迅速生长，气泡大量出现，传热性能达到峰值。过渡沸腾阶段：壁温140℃≤tw≤300℃，气泡继续生长，出现较大气块且极不稳定，传热性能下降。膜态沸腾阶段：壁温tw＞300℃，加热表面覆盖稳定气膜，传热性能最差。

图1 沸腾q-Δt曲线

沸腾产生的噪声过程主要与自然对流、核态沸腾两个阶段相关。如图2所示，水温呈线性递增趋势，随着水温升高，噪声先增加后降低。T0时刻前，噪声增长趋势与壁温类似，增长率基本一致，壁温小于100℃（水沸点），无沸腾现象发生，传热靠自然对流，噪声低于50 dB(A)；T0时刻后，壁温达到104℃以上，沸腾从自然对流阶段进入核态沸腾阶段，T0-T1期间，沸腾处于初始核态沸腾，气泡尺度较小，换热效率高，壁温增高放缓，由于小尺度气泡的破裂，噪声持续增加；T1-T2期间，气泡生长为大气泡，并大量破裂，噪声保持峰值状态；T2时刻后气泡汇聚呈大气块，沸腾噪声呈下降趋势。

图2 温度与噪声时域图

2.2 气泡演变过程

为进一步研究气泡演变过程与噪声的关系，如图3所示，借助高速摄像机观察不同温度点气泡形态，随着水温的升高，气泡直径呈增大的趋势。水温35℃时，气泡直径约1～2 mm，由于体积小，其浮力小于附着力，气泡粘附于壁面并保持稳定状态，气泡破裂量较少，噪声较小，声功率处于30～40 dB(A)水平。随着温度升高至55℃，气泡体积逐渐膨胀，直径生长为3～5 mm，气泡大量脱落并上升破裂，气泡上升距离1～5 mm，噪声达到最大值，声功率处于65～70 dB(A)水平。当温度上升至75℃，气泡体积进一步膨胀，直径生长至5～10 mm，气泡维持脱落并上升破裂，气泡上升距离5～10 mm，噪声维持较高值，声功率处于65～70 dB(A)水平。当水温继续上升，气泡直径持续长大并伴随气泡的合并，形成较大的气块，虽然气块尺度达到15 mm以上，但是水温已达90～95℃，气泡与工质的温差较小，在气泡上升过程中，气泡体积出现小尺度的缩小，大量大气块没有在水中破裂，并浮出水面，沸腾噪声开始降低，声功率降至60 dB(A)左右。

图3 不同温度点气泡形态图

气泡的产生、聚并、脱离，并在底壁或水体内破裂是产生沸腾噪声的主要原因，如图4所示，截取水温55℃时的单一气泡形态图，观察单一气泡产生、成长、溃灭过程。池沸腾过程中产生大量的气泡，图4a)～e)展示了气泡产生并生长到体积最大的过程，初始阶段气泡产生并吸热长大，气泡继续膨胀长大，气泡受到的浮力也相应增加，当气泡浮力大于其与壁面的表面张力时，气泡脱离壁面并上升。图4f)～j)展示了气泡逐渐缩小，脱离底壁并溃灭的过程。气泡内饱和蒸汽温度大于液体温度，气泡与液体出现热交换，导致气泡内部蒸汽压力急剧下降，同时气泡表面张力增大，气泡快速缩小并进一步溃灭。形成巨大的冲击压力，气泡急剧脱离壁面并快速破裂产生噪声。

图4 单一气泡形态图

3 气泡形态与控制研究

3.1 气泡受力分析

Fritz[6,7]认为表面张力与浮力是影响气泡与壁面脱离的关键因素，根据流体静力学，气泡受力如图5所示，其中Fb为气泡受到的向上浮力，Fs为气泡表面张力垂直向下的分力，F为表面张力，γ为表面张力系数，θ为气泡与壁面的接触角，R为气泡直径，V为气泡体积。

图5 气泡受力图

如图6所示为接触角θ与气泡半径R关系，随着接触角的增加，气泡半径呈增大趋势。

图6 接触角与气泡半径关系

气泡的产生、聚并、脱离，并在底壁或水体内破裂是产生沸腾噪声的主要原因，抑制沸腾噪声的有效方法是从声源方向控制，即减少气泡破裂量。壁面润湿性对沸腾传热都有着重要的影响，而沸腾传热与气泡的状态有密切的关系，接触角大小可控制气泡尺度，进而抑制噪声大小。因此本文通过仿真与实验结合的方法研究底壁不同亲/疏水性质对气泡成长、脱落的影响。

3.2 气泡生长数值模拟

3.2.1 模型及数值方法

计算区域采用40 mm×80 mm，计算区域宽度大于6 Dmax，消除壁面干扰，Dmax为计算气泡的最大脱离直径，采用0.1 mm的均匀结构网格[8]。采用VOF方法对气泡脱离行为进行数值模拟，结合蒸发冷凝、壁面粘附及表面张力模型，研究底壁接触角θ对气泡尺度及脱离时间的影响，接触角示意图如图7。为提高相间界面的清晰度，采用Geo-Reconstruct方案离散体积方程，采用PISO压力耦合方案，步长1E-5 s。

图7 底壁接触角示意图

3.2.2 仿真结果与讨论

为研究底壁接触角θ对气泡生长及脱离的影响，采用亲水（静态接触角为50°、70°），中性（静态接触角为90°），疏水（静态接触角为110°、130°、150°）等6种不同接触角进行气泡仿真。图8为不同接触角气泡生长脱离过程图，气泡体积不断增大并出现缩颈及脱离现象。气泡生长前期，亲水底壁（静态接触角为50°、70°）气泡呈球状生长，疏水底壁（静态接触角为110°、130°、150°）气泡呈球冠状生长，特别是随着静态接触角的不断提升，由于底壁已呈憎水性，表面张力占据主导地位，气泡紧贴底壁扩展并生长。气泡生长中期，气泡进一步长大，随着底壁接触角的增加，气泡生长周期变长。气泡生长后期，气泡开始出现缩颈现象，继续生长后，气泡浮力大于表面张力向下分量，气泡开始脱离底壁。

图8 不同接触角气泡生长脱离过程图

通过2维VOF仿真，统计气泡脱离时间及脱离后气泡面积，利用气泡面积表征气泡尺度大小，研究不同接触角下气泡尺度及脱离时间关系。如图9所示，随着底壁接触角的不断增加，气泡脱离时间呈递增趋势，由120 ms（静态接触角为50°）逐渐增加为243 ms（静态接触角为150°），脱离后气泡面积呈递增趋势，由2.4E-5 m2（静态接触角为50°）逐渐增加为4.8E-5 m2（静态接触角为150°）。底壁呈亲水性时，气泡脱离时间短，脱离频率较快，有利于气泡从其生长壁面脱离，气泡脱离量增多；而疏水性的壁面则会使得气泡附着在底面上，气泡脱离尺度增大，脱离时间增长，气泡脱离频率较慢，不利于气泡脱离，气泡脱离量减少。如图10所示为亲/疏水底壁气泡图，通过调整接触角大小控制气泡尺度，进而抑制气泡脱离量，减少气泡破裂量，达到降低池沸腾噪声的目的。

图9 气泡脱离时间、面积与接触角关系图

图10 亲/疏水底壁气泡图

4 噪声控制及实验验证

4.1 接触角测试设备

如图11所示为滴液法接触角测试系统，该系统包括光学成像系统、精密滴定系统、试验台及光源。如图12所示为接触角实测图，通过在底壁控制涂覆亲水或疏水涂层的量来达到不同亲水与疏水的效果，分别实现53.9°、71.5°的亲水性表面，89.6°的中性表面及105.1°、117.9°的疏水性表面。

图11 接触角测试系统图

图12 接触角实测图

4.2 噪声测试设备

如图13所示为半消声室及LMS振动噪声测试系统，半消音室需满足被测噪声级与按各传声器位置处的平均值相比，背景噪声级比所测声压级低15 dB以上的指标。采用半球面十点测试法测试，测量表面为半球面，半径r为1.0 m，10个BK声学传感器依据国标安装在半球面上。针对以上五种不同接触角表面（53.9°、71.5°的亲水性表面，89.6°的中性表面及105.1°、117.9°的疏水性表面），分别采集池沸腾从通电到水沸腾过程的噪声数据，取最大声功率。

图13 半消声室及LMS振动噪声测试系统

4.3 接触角与噪声

图14为接触角与最大声功率的关系图，随着接触角的增加，最大声功率呈递减趋势。底壁呈亲水性时，气泡脱离时间短，有利于气泡从其生长壁面脱离；而疏水性的壁面则会使得气泡附着在底面上，气泡脱离尺度增大，不利于气泡脱离，气泡脱离量减少。验证了通过调整接触角大小控制气泡尺度，进而抑制气泡脱离量，减少气泡破裂量，达到降低池沸腾噪声的目的。

图14 接触角与噪声关系图

5 结果与讨论

（1）对池沸腾噪声产生机理进行了分析，气泡急剧脱离壁面并快速破裂产生噪声，而气泡破裂噪声是沸腾噪声的主要声源。沸腾产生噪声的过程主要与自然对流、核态沸腾两个阶段相关，水温呈线性递增趋势，随着水温升高，噪声呈先增加后降低趋势。

（2）从气泡动力学角度对气泡受力进行了分析，确定底壁接触角与气泡半径的关系，随着接触角的增加，气泡半径呈增大趋势。

（3）采用VOF方法对气泡脱离行为进行数值模拟，研究底壁接触角对气泡尺度及脱离时间的影响，不同接触角均出现气泡体积不断增大并出现缩颈及脱离现象。底壁呈亲水性时，气泡脱离时间短，气泡脱离量增多；而疏水性的壁面则会使得气泡附着在底面上，气泡脱离尺度增大，脱离时间增长，不利于气泡脱离，气泡脱离量减少。

（4）随着接触角的增加，最大声功率呈递减趋势。通过接触角及噪声实验，验证了调整接触角大小控制气泡尺度，进而抑制气泡脱离量，减少气泡破裂量，达到降低池沸腾噪声的目的。