相變邊界條件下的熱湍流動(dòng)力學(xué)和熱輸運(yùn)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(qiáng)自然對(duì)流傳熱效率 4
1.2.2  結(jié)冰或融冰動(dòng)力學(xué)特性、輸運(yùn)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(duì)熱對(duì)流系統(tǒng)熱輸運(yùn)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(duì)流沸騰-凝結(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 20
2.3.1  圓柱形兩相熱對(duì)流沸騰-凝結(jié)對(duì)流槽 21
2.3.2  擴(kuò)壓容器 24
2.3.3  工作液體 25
2.3.4  控制參數(shù)和響應(yīng)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(cè)量與采集系統(tǒng) 30
2.3.8  流場(chǎng)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(dòng)力強(qiáng)度對(duì)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(gè)特征鮮明的區(qū)間 37
2.5.3  蒸氣體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算 40
2.6  傳熱增強(qiáng)的物理機(jī)制 45
2.6.1  兩相“類催化性顆粒”湍流系統(tǒng)氣泡群運(yùn)動(dòng)速度 45
2.6.2  相變潛熱對(duì)傳熱增強(qiáng)的貢獻(xiàn) 46
2.6.3  氣泡流導(dǎo)致的湍流場(chǎng)的摻混效應(yīng)對(duì)傳熱增強(qiáng)的貢獻(xiàn) 47
2.7  主動(dòng)調(diào)控“類催化性顆粒”的運(yùn)動(dòng)： 兩種運(yùn)動(dòng)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(duì)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?jǐn)?shù)的低沸點(diǎn) 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?jǐn)?shù) HFE-7000 液體的流場(chǎng)特征 59
3.3  加入不同體積分?jǐn)?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(bǔ)償圖 61
3.3.3  蒸氣泡體積分?jǐn)?shù) 62
3.4  兩相“類催化性顆粒”湍流系統(tǒng)的溫度脈動(dòng) 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(duì)流與結(jié)冰過程耦合的動(dòng)力學(xué)和流動(dòng)結(jié)構(gòu) 69
4.1  研究目的 69
4.2  研究方法 71
4.2.1  實(shí)驗(yàn)方法：兩相熱對(duì)流結(jié)冰-融冰實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 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(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論建模結(jié)果對(duì)比 91
4.4  冰生長(zhǎng)與流體運(yùn)動(dòng)的耦合動(dòng)力學(xué)：四種不同的傳熱與流動(dòng)耦合機(jī)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(dòng)耦合機(jī)制小結(jié) 97
4.5  冰層生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)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(jī)制 102
5.1  研究目的 102
5.2  研究方法 103
5.2.1  實(shí)驗(yàn)方法：可調(diào)節(jié)傾角兩相熱對(duì)流結(jié)冰-融冰實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 103
5.2.2  直接數(shù)值模擬方法 104
5.2.3  建立流體力學(xué)理論模型 105
5.3  影響冰形貌的物理機(jī)制 1：熱浮力驅(qū)動(dòng)力 105
5.3.1  垂直對(duì)流實(shí)驗(yàn)和直接數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比 106
5.3.2  解釋垂直對(duì)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(jī)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(shí)驗(yàn)和直接數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)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(dòng)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(dòng)強(qiáng)度模型 118
5.5  本章小結(jié) 120
第6章  自然對(duì)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(shí)驗(yàn)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(yīng)對(duì)冰演化的影響 124
6.3.1  RB對(duì)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(jī)制 133
6.4  對(duì)流系統(tǒng)的寬高比對(duì)結(jié)冰平衡態(tài)的影響 135
6.4.1  RB對(duì)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(jìn)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(diǎn) 147
7.3  未來展望 148
參考文獻(xiàn) 150
在學(xué)期間完成的相關(guān)學(xué)術(shù)成果 167
致謝 168