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本文以平板加热表面上的池沸腾传热现象为主要研究对象,利用地面常重力实验、SJ-8(育种)卫星搭载空间微重力实验等多种手段,研究了不同重力、压力及过冷度条件下的平板加热片表面FC-72液体的池沸腾传热特性。
本文实验采用自主研发的控制加热功率的池沸腾实验设备(PCPB),加热元件采用面积15mm×15mm、由多种金属(Cu、Au、Ni、Cr)组成的多层合金薄膜(厚度约10μm)构成的蛇形结构,该元件同时也被用来测量加热表面平均温度。实验采用控制加热电压按指数形式增长(时间常数约80s)的准稳态加热方式。
地面常重力实验对常压、常温条件下的池沸腾传热现象进行了研究,沸腾传热曲线及CHF与前人实验结果相一致,表明本文实验装置、方法及数据结果是可靠且合理的。
空间微重力实验结果表明,在相近的压力条件下,随着过冷度的增大,沸腾传热曲线略偏左,CHF值也有所增加;而在相近过冷度条件下,液池压力越大沸腾传热曲线越偏左,CHF也略有增加。这与地面研究结果相似。
与地面实验相比,微重力条件下的沸腾传热曲线相当平缓,甚至不出现明显的转折点,导致难以准确确定CHF的具体数值;沸腾起始大为提前,即在很小的壁面过热度时即已开始沸腾;CHF值远低于地面实验,不超过地面常重力环境中的40%。
对第一阶段5次实验的池沸腾传热图像的分析,发现首个汽泡的出现时刻不断提前,汽泡数密度也呈减小趋势,其原因在于前次实验导致加热面部分空穴处可能残存有微汽泡,使该点易于活化,从而使得在较低的壁面过热度下沸腾即已开始,并抑制了邻近核化点的活化过程。汽泡生长速度随着过冷度的增大而减小,是由于汽泡顶端接触过冷液体而不断冷凝的速度加大。在整个沸腾过程中,汽泡在不停的横向运动,大汽泡捕掠小汽泡,小汽泡向大汽泡汇集,最后大汽泡覆盖整个加热面。