哈工大流体力学章十二.ppt

蒸汽泡内的气体是周围液体介质的蒸汽，它与周围液体介质的成分相同；空气泡内的气体是空气，它相对于周围的液体介质而言是另一种介质。 汽泡动力学是近几十年来逐步发展起来的一个学科分支。 汽泡核心形成的很短一段时间内，由于表面张力平衡不了汽泡内、外压力差的作用，汽泡迅速长大。由于此时汽泡内蒸汽温度接近液体温度，所以称这一初期成长阶段为等温成长阶段，也称为动力学控制阶段，在这一时期汽泡的长大主要是受内外压差和表面张力的支配。 汽泡初始半径R0较难获得，因此人们采用汽泡凝缩过程模拟汽泡生长过程。 在汽泡成长的后期，大约是从汽泡生成后的千分之几秒开始，周围液体的表面张力作用减弱到可以忽略，汽泡内、外压力接近相等，而汽泡内蒸汽温度下降到接近系统压力下的饱和温度。此时，汽泡继续长大的速率取决于过热液体通过汽液分界面向泡内气体所传递的热量的大小和速率，这一阶段称为等压生长阶段，也称为热力学控制阶段。在这个阶段，汽泡生长速度减慢，但延续时间较长。 通过上述球形液体薄层的导热与通过平面的一维瞬态导热问题是类似的，可以近似用一维半无限大平板的导热方程来描述，以汽液分界面作为距离x的起始点。al为导温系数，al=λ/ρcp它表征物体被加热或冷却时物体内各部分温度趋向一致性的能力，其单位为m2/s。 1935年Fritz发表了第一篇关于汽泡脱离问题的理论分析论文，对于给定的接触角，可以根据流体静力学原理确定位于水平表面上的静止汽泡的最大体积。 根据水中氢汽泡和水蒸汽泡的实验结果，可以确定函数的具体表达式。 Cole等于1969年在综合分析了大量的脱离直径的实验值后提出如下的综合关系式。 汽泡的脱离频率是汽泡动力学研究的另一个重要问题，汽泡脱离的快慢直接影响壁面的换热强度。汽泡在加热面上从开始生长到脱离所需要的时间为tg，汽泡脱离后加热面需要等待一段时间tw，以使加热面附近的液体达到使下一个汽泡成长所必须的过热度，因此一个汽泡从成核、生长到脱离再到另一个汽泡成核这样一个周期的总时间为tg+tw。 随着加热面上热流密度的增大，壁面上汽泡核心数逐渐增多，且汽泡脱离频率也逐渐增高，前一个汽泡与后一个汽泡在上升运动过程中将发生聚合而形成大汽泡或蒸汽块。 等温汽泡动力学 等温汽泡动力学 汽泡的生成速度为一定值。 汽泡的生长半径与时间成线性关系。 等温汽泡动力学 方程的简化方法之二 用汽泡凝缩过程模拟汽泡生长过程，忽略表面张力。 等温汽泡动力学 等温汽泡动力学 等温汽泡动力学 等温汽泡动力学 等温汽泡动力学 等温汽泡动力学 近似解 等压汽泡动力学 等压汽泡动力学 汽泡平衡条件 r足够大 等压汽泡动力学 热平衡方程 α－ 换热系数。指单位温差条件下，单位时间内汽液间传递 的热量，其单位为J/m2 · s·℃。 h－ 汽化潜热。指在一定压力或温度的饱和状态下，水转变成蒸汽所吸收的热量，或者蒸汽转化成水所放出的热量，其单位为J/kg。 等压汽泡动力学 一维导热方程 初始条件 边界条件 解析解 等压汽泡动力学 界面处导热量等于对流换热量 代回热平衡方程 等压汽泡动力学 汽泡全期生长模型 等温生长阶段 等压生长阶段 汽泡全期生长模型 等温生长阶段 汽泡全期生长模型 等压生长阶段 汽泡全期生长模型 汽泡全期生长模型 汽泡全期生长模型 汽泡的脱离 使汽泡脱离的力 维持汽泡保持在表面上的力 汽泡的脱离 受力平衡 脱离时气泡直径 汽泡的脱离 Fritz公式 符合大气压力下水沸腾时的汽泡运动情况，但不适用高压真空状态。 汽泡的脱离 Cole公式 水 其它液体 汽泡的脱离 脱离频率 研究方法 Jackob Zuber 汽泡的脱离 Zuber公式 进一步研究 汽泡的脱离 其它公式 汽泡的聚合和上升 汽泡的聚合和上升 汽泡上升速度 直径较大 直径较小 汽泡的聚合和上升 汽泡瞬时受力 研究单个汽泡的运动特性及其有关动力变化过程对不同类型的空化均具有普遍意义，有关的学科称为“汽泡动力学”（Bubble dynamics）。 ? 2013 HIT 13-* 流体动力学理论基础 汽泡动力学 哈尔滨工业大学航天学院 2013年4月 主要内容 汽泡动力学 等温汽泡动力学 等压汽泡动力学 汽泡的脱离 汽泡动力学 汽泡 —— 水蒸汽 气泡 —— 其他气体 汽泡与气泡的区别 汽泡动力学 汽泡动力学主要研究汽泡在液体中长大和运动的规律，如果存在加热表面，还要研究汽泡在加热表面上成长、脱离的规律和条件。 汽泡的形成 汽泡动力学 固体 气体（蒸汽） 液体 升华线 熔化线 凝固线 液体饱和线 汽化线 汽化 Evaporation 汽泡的形成 是指液体分子逸出液面向空间扩散的过程，即液态变为气态的现象。 凝结 Condensation 气态变为液态的