毕业论文课题相关文献综述
物质的汽液相变是一种常见的自然现象，它主要以液体的沸腾和蒸汽的凝结表现出来。沸腾是通过大量汽泡的形成、成长和运动将物质由液态转变到汽态的一种剧烈的蒸发过程。凝结则是汽体通过液滴的形成而转化成液态[1]。 迄今为止，对沸腾换热过程的研究已取得了显著成果，这些成果不仅可以用来解决工程技术中所遇到的设计和运行问题，而且奠定了进一步开展研究和探索的基础。但由于沸腾现象的复杂性和测试手段的局限性，至今在对沸腾换热机理、换热计算及许多其它重要现象的分析上，还存在着分歧，这也正是该学科仍处在发展阶段的表现，而它的发展趋势所需解决的主要和关键问题，仍需进一步探讨[2]。 与沸腾换热研究相比，凝结方面的研究显得不够活跃，进展较慢。珠状凝结仍然没有得到工业上的具体应用。究其原因，还是由于对维持珠状凝结的机理没有彻底弄清楚[4]。 综上所述，由于沸腾和凝结在工程上的重要性以及现象本身的复杂性，在今后相当长的时期内，沸腾和凝结仍将是工程热物理学科中重要的，也是最活跃的研究领域之一[3]。 1、相变对流换热过程的热力学分析 沸腾和凝结过程是在一定的传热温差下出现流体相变的过程。由于这种相变对流换热过程涉及到热力学、传热学和复杂的两相流体动力学，过程的变量很多，因此使得沸腾和凝结过程变得错综复杂[4]。根据对沸腾和凝结现象本质的理解，提过程发展的物理模型和数学模型，通过分析，并由实验确定经验常数，建立起半经验半理论的计算公式，是目前进行沸腾和凝结研究的主要途径。从而使得对沸腾和凝结现象物理机制的正确理解就显得尤其重要。自从 Becker 和 Volume 等人开始利用经典热力学理论研究过热液体中汽泡的生成过程，并形成经典的均相成核理论以来，采用热力学的方法对相变对流换热过程的物理机制进行分析和研究引起了广泛的重视，并取得了许多有价值的研究成果[5]。 在对过热液和过冷汽的初始研究阶段，人们仅认识到它在理论上的重要性，即在通常的沸腾和凝结中，汽泡和液滴的形成只能在过热区和过冷区。但现在人们越来越认识到它直接与某些工业上的安全问题有关[6]。2、相变对流传热介绍 蒸气冷凝和液体沸腾都是伴有相变化的对流传热过程。这类传热过程的特点是相变流体要放出或吸收大量的潜热，对流传热系数较无相变时更大，例如水的沸腾或水蒸气冷凝[7]。 当饱和蒸气与低于饱和温度的壁面接触时，蒸气放出潜热，并在壁面上冷凝成液体。蒸气冷凝有膜状冷凝和滴状冷凝两种方式。 膜状冷凝:若冷凝液能够润湿壁面，则在壁面上形成一层完整的液膜，称为膜状冷凝。 滴状冷凝：若冷凝液不能润湿壁面，由于表面张力的作用，冷凝液在壁面上形成许多液滴，并沿壁面落下，此种冷凝称为滴状冷凝[8]。膜状冷凝对流传热系数理论公式的推导中作以下假定：（1）冷凝液膜呈层流流动，传热方式为通过液膜的热传导（Re＜1800）。（2）蒸气静止不动，对液膜无摩擦阻力。（3）蒸气冷凝成液体时所释放的热量仅为冷凝潜热，蒸气温度和壁面温度保持不变。（4）冷凝液的物性可按平均液膜温度取值，且为常数[9]。 3.液体的沸腾传热 在液体的对流传热过程中，伴有由液相变为气相，即在液相内部产生气泡或气膜的过程，称为液体沸腾（又称沸腾传热）。工业上液体沸腾的方法有二种：一种是将加热壁面浸没在无强制对流的液体中，液体受热沸腾，称为大容积沸腾；另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。后者沸腾机理更为复杂[10]。3.1沸腾传热系数的计算 关于沸腾传热至今还没有可靠的一般的经验关联式，但可按以下函数形式进行关联。 式中 ts蒸气的饱和温度，℃；C和B通过实验测定的两个参数[11]。3.2影响沸腾传热的因素 (1)液体的性质 液体的导热系数、密度、粘度和表面张力等均对沸腾传热有重要的影响。一般情况下，α随λ、ρ的增加而增大，而随μ及σ的增加而减小[12]。 (2)温度差Δt 温度差（tw－ts）是控制沸腾传热过程的重要参数。曾经有人在特定的实验条件（沸腾压强、壁面形状等）下，对多种液体进行泡核沸腾时传热系数的测定，整理得到下面形式的经验式： α=a（Δt）n 式中a和n是随液体种类和沸腾条件而异的常数，其值由实验测定[13]。 (3)操作压强 提高沸腾压强相当于提高液体的饱和温度，使液体的表面张力和粘度均降低，有利于气泡的生成和脱离，强化了沸腾传热。在相同的Δt下，α和q都更高。 (4)加热壁面 加热壁面的材料和粗糙度对沸腾传热有重要的影响。一般新的或清洁的加热面，α较高。当壁面被油脂沾污后，会使α急剧下降。壁面愈粗糙，气泡核心愈多，有利于沸腾传热。此外，加热面的布置情况，对沸腾传热也有明显的影响[14]。4管内沸腾传热 在气液两相流的流动过程中，由于气、液两相的流动性，两相界面不断变化，流型变得很复杂。同时，流型还与管道尺寸、管截面形状、管道角度、管道加热状态、所处的重力场、介质的表面张力、壁面及相界面间的剪切应力等因素有密切关系。因此这使得不同的研究学者，从不同角度对流型进行研究时，会给出流型的不同定义和划分，比如对于垂直上升管中的流型划分就有几十种[11]。 流动沸腾广泛存在于工业生产的各类换热器中,是伴随着气泡的成核、生长、合并和破裂等现象进行的。对管道式换热设备而言,通道尺寸会直接影响气泡在通道内的运动特性,因此,通道内的流动沸腾问题与气泡运动的关系更加紧密,通道尺寸与换热系数之间的关系必将更加复杂[15]。管道流动沸腾换热机理分析的目的在于,揭示沸腾传热系数与管道几何尺寸的关系,从而从理论上证明管道尺寸是否具有强化传热的特性[11]。 目前，研究管内沸腾传热最常用的方法即为模拟实验，根据实验结果进行分析。经过四十多年的发展，CFD出现了多种数值解法。这些方法之间的主要区别在于对控制方程的离散方式。根据离散的原理不同，CFD的计算方法大体上主要分为三种： 有限差分法(Finite Difference Method，FDM) 有限元法(Finite Element Method，FEM) 有限体积法(Finite Volume Method，FVM)[18] 有限差分法是应用得最早、最经典的CFD计算方法。它将求解域划分为差分网格，用有限的网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商来代替，推导出含有离散点(即网格的节点)上有限个未知数的差分方程组。[16]求出差分方程组的解，就作为描述这个连续求解域内定解问题的偏微分方程的数值（近似）解。它是一种直接将微分问题变换为代数问题的数值近似解法。这种方法发展较早，比较成熟，较多地用于求解双曲型和抛物型问题。在此基础上发展起来的方法有PIC(Particle-in-Cell)法[19]、MAC(Marker-and-Cell)法，以及由美籍华人学者陈景仁提出的有限分析法(Finite Analytic Method)[20]等。 有限元法是20世纪80年代开始应用的一种数值解法，它吸收了有限差分法的离散处理思路，又采用了变分计算中选择逼近函数对区域进行积分的方法[17]。所以，采用有限元法，特别是在用其求解非定常流动问题时，每一步都要解大型代数方程组，计算工作量大，其求解速度较有限差分法和有限体积法慢，且占用计算机内存大。因此应用不是特别广泛。在有限元法的基础上，英国C.A.Brebbia等提出了边界元法和混合元法等方法[21]。 有限体积法首先是将计算区域划分为一系列的控制体积，其离散方程的建立，是将待求解的微分方程通过对每一个控制体的积分而得出离散方程的。用有限体积法导出的离散方程可以保证流动具有守恒特性，而且离散方程中的系数物理意义明确，其计算量也相对较小。但有限体积法的关键是在于其导出离散方程的过程，即在推导过程中需要先对界面上的被求函数本身及其导数的分布作出某种形式的假定。1980年，S.V.Patanker在其专著《Numerical Heat Transfer and Fluid Flow》中对有限体积法作了全面的阐述[22]。此后，该方法得到了广泛应用，是目前CFD软件中应用得最为普遍的一种方法。当然，对这种方法的研究和扩展也在不断地进行着，如P.Chow提出了适用于任意多边形非结构网格的扩展有限体积法[23]。 5.国内外研究现状 由于沸腾换热机理的复杂性，国内外众多学者为寻求一个具有普遍意义的沸腾换热计算关联式，已开展了大量有关沸腾换热的研究。 Chen检验了 594 组典型数据提出了一个新的饱和沸腾换热的关系式，他认为在饱和泡核沸腾区和两相强制对流蒸发区均存在两种基本的传热模式：泡核沸腾传热和强制对流传热[17]。 shibashi 和 Nishikawa试验研究了两端敞开底竖直圆环通道内的自然对流沸腾传热，实验结果表明环形通道间存在两个沸腾区域，得出在聚集泡状流区域传热得到强化，传热系数有时可达饱和沸腾的四倍[24]。 刘荣等对 R410A 和 R22 进行了沸腾换热实验研究，并对二者沸腾换热性能做了对比，结果表明换热系数随着流量的增大而增大，且管径的大小对换热系数影响较大[25]。 杨建超等为了了解管内流动沸腾换热特性并准确地预测出其换热系数，对 CO2蒸发换热器进行分析研究，并分析了几个国内外已公开发表的换热关联式，比较发现 Yoon2004、Jung 关联式的预测精度相对较高[17]。 总的来说，国内外对于沸腾换热的研究大多采用实验和数值模拟的方法来近似确定沸腾换热的情况，而这些关联式一般具有严格的适用条件，同一公式对不同条件下得出的实验数据的预测能力会有很大差别，并且实验室中得出的关联式在应用于具体工程问题时也存在较大误差。因此，为了确定目前现有实验关联式对于研究流动沸腾换热的预测能力，有必要找出适用于沸腾传热的预测计算关联式[8]。 近些年来，CFD有了很大的发展，替代了经典流体力学中的一些近似计算方法和图解法。过去的一些典型教学实验，如Reynolds实验，现在完全可以借助CFD手段在计算机上实现。计算流体动力学的应用领域极为广泛，所有涉及流体的流动、热交换、分子输运等现象的问题，几乎都可以通过计算流体动力学的方法进行分析和模拟。目前，CFD的方法不仅可作为一种分析、研究问题的工具，而且还可作为设计工具在热能与动力工程、水利水电工程、石油化工与流体输运工程、船舶工程、海洋工程、环境工程、食品工程、土木工程以及工业制造等领域中正发挥着巨大的作用。其主要的应用领域及所涉及的相关工程问题包括： 锅炉中燃烧的计算； 换热片的换热计算与形状的选取，以及换热器整体性能的分析与预测； 水轮机、泵与风机等流体机械的内部流动问题及其内特性的研究； 飞机和航天飞行器等的设计； 船舶、鱼雷等水中航行器的外形设计； 河、渠流中的水能计算； 洪水波及河口的潮流计算； 河流中污染物的扩散； 油、气以及石油化工物品等的管道输送； 电子元器件的冷却； 室温、室内湿度及其空气流通的计算与调节，以及其环境的分析； 汽车尾气对街道环境的污染； 食品中细菌的运移； 风载荷对高层建筑物稳定性及其结构性能的影响； 汽车的外型的设计及其对性能影响的分析；等等。 对这些问题的分析与处理，过去主要借助于理论分析和反复大量的物理模型实验的验证；而现在大多采用CFD的方法加以分析和解决。CFD技术现已发展到了完全可以对粘性湍流及旋涡运动等复杂的流动与传热问题进行三维的分析与计算的程度。参考文献：[1] 张维纲. 热经济决策方法论的研究[D]. 大连理工大学博士学位论文，1989[2]Bejan A. 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