相變邊界條件下的熱湍流動力學和熱輸運特性的研究

第1章  引言 1
1.1  研究背景及意義 1
1.2  研究現(xiàn)狀 4
1.2.1  增強自然對流傳熱效率 4
1.2.2  結(jié)冰或融冰動力學特性、輸運特性及固-液界面形貌特征 9
1.3  研究目的與內(nèi)容 13
1.4  研究方法 15
1.5  本書結(jié)構(gòu)安排 15
第2章  兩相“類催化性顆粒”湍流對熱對流系統(tǒng)熱輸運特性的影響 18
2.1  研究目的 18
2.2  兩相“類催化性顆粒”湍流系統(tǒng)的形成 19
2.3  兩相熱對流沸騰-凝結(jié)實驗平臺 20
2.3.1  圓柱形兩相熱對流沸騰-凝結(jié)對流槽 21
2.3.2  擴壓容器 24
2.3.3  工作液體 25
2.3.4  控制參數(shù)和響應參數(shù) 26
2.3.5  溫度控制系統(tǒng) 28
2.3.6  熱量損失誤差分析 29
2.3.7  溫度測量與采集系統(tǒng) 30
2.3.8  流場可視化技術(shù) 32
2.4  傳熱載體：“類催化性顆粒” 34
2.5  系統(tǒng)熱驅(qū)動力強度對系統(tǒng)傳熱特性的影響 36
2.5.1  兩相“類催化性顆粒”湍流系統(tǒng)的傳熱特性 36
2.5.2  三個特征鮮明的區(qū)間 37
2.5.3  蒸氣體積分數(shù)的計算 40
2.6  傳熱增強的物理機制 45
2.6.1  兩相“類催化性顆粒”湍流系統(tǒng)氣泡群運動速度 45
2.6.2  相變潛熱對傳熱增強的貢獻 46
2.6.3  氣泡流導致的湍流場的摻混效應對傳熱增強的貢獻 47
2.7  主動調(diào)控“類催化性顆粒”的運動： 兩種運動模式 52
2.7.1  局部摻混：跳躍模式 52
2.7.2  全局摻混：遷移模式 53
2.8  本章小結(jié) 54
第3章  不同工況對兩相“類催化性顆粒”湍流系統(tǒng)的影響 55
3.1  研究目的 56
3.2  加入不同體積分數(shù)的低沸點 HFE-7000 液體 56
3.2.1  兩種蒸氣泡形成模式 57
3.2.2  加入不同體積分數(shù) HFE-7000 液體的流場特征 59
3.3  加入不同體積分數(shù) HFE-7000 液體的影響 60
3.3.1  傳熱特性 60
3.3.2  傳熱特性補償圖 61
3.3.3  蒸氣泡體積分數(shù) 62
3.4  兩相“類催化性顆粒”湍流系統(tǒng)的溫度脈動 63
3.5  上板溫度和下板溫度控制解耦 66
3.5.1  恒定下板（加熱）溫度改變上板（冷卻）溫度 66
3.5.2  恒定上板（冷卻）溫度改變下板（加熱）溫度 66
3.6  本章小結(jié) 67
第4章  自然對流與結(jié)冰過程耦合的動力學和流動結(jié)構(gòu) 69
4.1  研究目的 69
4.2  研究方法 71
4.2.1  實驗方法：兩相熱對流結(jié)冰-融冰實驗平臺 72
4.2.2  理論建模 77
4.2.3  直接數(shù)值模擬：格子玻爾茲曼算法 84
4.2.4  研究方法小結(jié) 90
4.3  實驗、數(shù)值模擬和理論建模結(jié)果對比 91
4.4  冰生長與流體運動的耦合動力學：四種不同的傳熱與流動耦合機制 92
4.4.1  區(qū)間-1（Regime-1） 93
4.4.2  區(qū)間-2（Regime-2） 95
4.4.3  區(qū)間-3（Regime-3） 95
4.4.4  區(qū)間-4（Regime-4） 96
4.4.5  四種不同的傳熱與流動耦合機制小結(jié) 97
4.5  冰層生長的動力學特征 98
4.6  本章小結(jié) 100
第5章  水相變平衡狀態(tài)冰-水界面形貌及其形成的物理機制 102
5.1  研究目的 102
5.2  研究方法 103
5.2.1  實驗方法：可調(diào)節(jié)傾角兩相熱對流結(jié)冰-融冰實驗平臺 103
5.2.2  直接數(shù)值模擬方法 104
5.2.3  建立流體力學理論模型 105
5.3  影響冰形貌的物理機制 1：熱浮力驅(qū)動力 105
5.3.1  垂直對流實驗和直接數(shù)值模擬結(jié)果對比 106
5.3.2  解釋垂直對流中冰的局部形貌特征：邊界層模型 108
5.4  影響冰形貌的物理機制 2：溫度梯度與重力方向夾角 111
5.4.1  不同系統(tǒng)傾斜角度的實驗和直接數(shù)值模擬結(jié)果對比 111
5.4.2  系統(tǒng)在不同傾角條件下的傳熱特性 112
5.4.3  不同傾角條件下流動和冰水界面形貌特性 113
5.4.4  解釋寬范圍系統(tǒng)傾角下的局部冰形貌特征：推廣的邊界層模型 116
5.4.5  解釋冰最厚的位置信息：浮力驅(qū)動強度模型 118
5.5  本章小結(jié) 120
第6章  自然對流與固-液相變耦合系統(tǒng)多平衡態(tài)問題 121
6.1  研究目的 121
6.2  研究方法 122
6.2.1  實驗方法 122
6.2.2  直接數(shù)值模擬方法 123
6.2.3  理論建模 123
6.3  結(jié)冰/融冰的歷史效應對冰演化的影響 124
6.3.1  RB對流系統(tǒng)的結(jié)冰/融冰過程的冰演化特性 124
6.3.2  VC系統(tǒng)的結(jié)冰/融冰過程的冰演化特性 131
6.3.3  雙平衡態(tài)的物理機制 133
6.4  對流系統(tǒng)的寬高比對結(jié)冰平衡態(tài)的影響 135
6.4.1  RB對流系統(tǒng)平衡態(tài)冰水界面形貌特征 135
6.4.2  VC系統(tǒng)平衡態(tài)冰水界面形貌特征 137
6.4.3  邊界層模型的進一步推廣 139
6.5  本章小結(jié) 141
第7章  總結(jié)與展望 143
7.1  全書總結(jié) 143
7.2  研究創(chuàng)新點 147
7.3  未來展望 148
參考文獻 150
在學期間完成的相關(guān)學術(shù)成果 167
致謝 168