5分，共45分）
1、在一个充满水的管道各位置上，以稳定流率注入气泡（如图1所示），以使沿管长方向气泡密度（气泡数，bubble population / density ）按如下函数分布：
201b b z N N L ??
??=?+?? ???????
式中：L —沿z 轴向的管长；0b N —管道入口处()0z =气泡密度。试问：(1)在0z =处的固定观察者所见气泡密度变化率是多少？(2) 以恒速0v 运动的观察者所见气泡密度变化率是多少？
解：(1)由于观察者固定，故气泡密度固定为0b N ，因此，气泡密度变化率为0。
(2)0z v t =?，故有()2001b v t N t N L ????=?+?? ???????
，所以200002222b b v t v z dN
N N dt L L =
=。
图 1
2、简要说明相速度、表观速度、相对速度、漂移速度、扩散速度以及漂移流密度的定
义及其物理意义。
解： 1) 相速度：每一相的真实相平均速度，即,v l v l v v l l
m m
u u A A ρρ=
= ； 2) 表观速度：每单位流道截面上的体积流量，是一种经截面权重后的平均速度，即：
,v l v l v l m m j j A A
ρρ=
= 3) 相对速度：两相之间的相对速度，一般气相较快，故定义相对速度为：
r v l vl lv u u u u u =-==-
4) 漂移速度：各相速度与两相混合物（体积）平均速度之差，即：
(),,kj k v l u u j k v l j j j =-==+其中
5) 扩散速度：相速度与两相混合物质心平均速度之差，即：
,,v
l km k m m m m u u j k v l j A +?
?
=-== ???
其中 6) 漂移流密度：任一相相对于两相(体积)平均速度运动而通过单位横截面的体积流量，又
常称为漂移体积流密度，即：
()()()()()()()()()()111111lv l l v l r vl v v v l r lv vl
j u j u u u u j u j u u u u j j αααααααααααα=--=----=--=-=---=-=-
3、请推导空泡份额α与质量含气率x 之间的关系；定性画出x α-曲线；分别计算压力为0.1MPa 与6.8MPa 的蒸汽—水混合物系统中，水蒸汽的质量含气率0.2x =，滑速比
1S =(在0.1MPa 与6.8MPa 下，v l ρρ分别约为1/2700与1/20.6)时对应的空泡份额α；
并基于这一算例与定性曲线简要分析x α-的数量关系。
解：1
1111v v v v v v l v l v v v l l l v v
l l v
M u A u x M M u A u A u u S ρραραρρρρααρ=
===--++++??
故有：
1
11v l
x
S x αρρ=
-+??
x α-的定性曲线为(假定1v l ρρ=)：
0.1MPa 压力下，代入各数据可得1
0.998510.21110.22700α=
=-+??
；
6.8MPa 压力下，代入各数据可得1
0.837410.21110.220.6
α==-+??
；
由算例及一般v
l ρρ非常小可知，
空泡份额在质量含气率小的情况下随质量含气率增大而迅速增大，之后随之增大而变化不大，从图像上看，曲线凸向左上方。
4、写出热力学平衡干度的表达式与含义。在流动沸腾工况下，热力学平衡含气率为何可以小于零或大于1.0，各代表什么工况？
解：表达式为：l
e lv
h h x h -=，式中h 为两相混合物的焓，l h 为液相饱和焓，lv h 为汽化潜热。
当l h h <时，0e x <，表示处于液相单相过冷状态； 当l lv h h h >+时，1e x >，表示处于气相单相过热状态；
当l l lv h h h h <<+时，01e x <<，表示处于气液两相混合物状态。
、简述欠热沸腾空泡份额计算的Bowring 方法的主要思路。
解：将欠热沸腾区分为高欠热沸腾与低欠热沸腾两个区。在高欠热沸腾区，气泡附于壁面上，空泡份额为W α；在低欠热沸腾区，气泡脱离壁面进入主流，空泡份额为壁面空泡份额W α与进入主流的空泡份额a α之和。
(1) 高欠热沸腾区：
气泡初始产生点ONB 处满足：
()()()()sup SPl W l SPl sub ONB ONB ONB ONB q h T T h T T ????=-=?-?????
其中，0.80.40.023Re Pr l
SPl e
k h D =，以下同。 而()
sup
ONB
T ?可由Jens-Lottes 公式计算，于是有：
()()()
()0.25
62510exp 6.2sub SPl ONB T q h q p ?=-?-
由()sub ONB T ?按热平衡关系式可得ONB Z 的位置；
对于FDB 点处，有()()sub l FDB in T q u η?=，而()6
140.98710p η-=+?。
而FDB h P A αδ=，而δ取下面两种结果的较小值： (a).30.2370.066, 1.37310d d R R p δ--==??； (b).()()2
Pr
1.07l l SPl
in u k h δη=，式中l
k 为液相热导率；
ONB 与FDB 之间的空泡份额近视视为线性分布，则有：
()()()sub sub
ONB FDB sub sub ONB FDB
T T T T αα?-?=?-?
(2) 低欠热沸腾区：
该区传热由4部分组成：1.脱离气泡的潜热e q ；2.温度边界层内气泡扰动引起的传热a q ；3.附着于流道壁面上的气泡的顶部的凝结换热c q ；4.壁面上气泡之间的单相液体对流传热SPl q 。忽略第3项传热，则中总热流e c SPl q q q q =++。
令a e
q
q ε=，当0.10.95M P a p M P a ≤≤时，
()3.2
p l
v lv
c h ρερ=；当0.955M P a p M P a
≤≤时， 1.3ε=。
)625exp 1.4 1.410 6.2sub SPl SPl q q p T h ????
?=
-?- ? ??????
，当()sub sub SPl T T ?>?时，S P l S P l
q h T =?；当()sub sub SPl T T ?
e q q q ε
-=+，故可以求的真实的质量含气率a x 为：
()1FDB Z
h
SPl
a Z l l lv
in P q q x dz A u h ρε-=
+?
而
111a l a a v a
x
S x αραρ=-- ，滑速比S 可取1.5 4.1 。 在气泡脱离起始点FDB Z 之后，认为壁面处的空泡份额维持不变，均为FDB α，所以低欠
热沸腾区的空泡份额α为：FDB a ααα=+。
6、有两种介质l 、v ，密度分别为l ρ、v ρ，介质l 位于v 之上，且l ρ远大于v ρ；假设两种介质初始无流动，且界面初始为平界面。如图2所示。试导出界面发生Rayleigh-Taylor 不稳定性时的波长（Taylor 波长），以及Rayleigh-Taylor “最危险”
波长。
图 2
解：Taylor 波长为：
2C λπ
=
Rayleigh-
Taylor“最危险”
波长为：
D C λ==。
7、给出发生流量漂移不稳定性的必要条件，并简要解释其原理。
解：流量漂移又称Ledinegg 不稳定性或水动力不稳定性，其特征是受扰的流体流动偏离原来的平衡工况，在新的流动参数值下重新稳定运行。
当流量变化时，流道摩擦损失的变化大于系统外加压力变化(通常是泵的压头或自然循环压头)时可能发生流量漂移。故发生流量漂移不稳定性的必要条件为：
F d
p p
G G ????>
??
F 表示阻力特性，d 表示驱动压头特性。
8、请说明Lockhart-Martinelli 关系的基本假设，以及如何运用L-M 关系计算两相摩擦压降，并讨论其适用性。
解：基本假设为：两相间无相互作用，即两相流中各相的的压降l dp dz *?? ???与v
dp dz *
??
???应当
等于各相单独流过该相在两相流中所占流道截面时的压降梯度，沿管子径向不存在静压差。
首先测量或计算得到空泡份额α，通过α利用L-M 关系曲线图得到Martinelli 数
2X (222v l X φφ=)；再利用L-M 关系曲线图，通过X 来得到分相乘子2l φ或2v φ；计分算液
相或分气相摩擦压降(即()2
212l l l G x v dp dz d λ-??= ???或22
2v v
v G x v dp dz d
λ??= ???)，再利用2l TP l dp dp dz dz φ???= ? ?????或2v TP v dp dp dz dz φ???= ? ?????计算出两相流的摩擦压降TP
dp dz ??
???。
L-M 方法适用于低压、可忽略相变或加速影响的水平流动；当这些效应不可忽略但不
十分大时，也可使用该方法。
9、简述阻抗法测量空泡份额的基本原理。
解：利用气、液各自具有不同的介电常数以及相差悬殊的电阻值的特征，通过测量布置于两相混合物内的两电极间的电容量或电导的方法来确定两相混合物的相对浓度，计算出空泡份额。
10、两相摩擦压降可由各种两相乘子来关联。现有Martinelli 数2
X ，其定义为
2l g
dp dp X dz dz ????=-- ?
?????；而按Chisholm 关系式，有液相两相乘子2
2
11l C X X φ=++(C 为参数)。试证明：气相乘子2
2
1g CX X φ=++。
解： 2
l TP l dp dp dz dz φ??
??=
? ?????，2
g
TP g
dp dp dz dz φ????
= ? ????? ∴22
2g
l X φφ= ∴2
22222111g
l C X X CX X X X φφ??==++=++ ???
故得证。
5分，共25分）
1、试用Chen 氏公式计算并建立一内径为12.7mm 、水流量为136kg h 、压力为
0.1186MPa 的蒸发管中，壁面过热度sat T ?分别为2.78C ?、11.1C ?、22.2C ?，含气率x
为1%、5%和20%时的sat q T -?关系。
解：0.1186MPa 下饱和态水的物性参数为：
3
955.114l kg m ρ=，
3
0.692461v kg m ρ=，
32244.610J lv h K
=??，
34.22110pl c J kg K =??，0.05805063N m σ=，6269.10810l Pa s μ-=??，
612.421310v Pa s μ-=??，0.680391l k W m K =?
而质量流速22
136
298.22160.0127
36004
G kg m s π=
=???
，0.0127d m = (1) 2.78sat T C ??=，1%x =，11916sat p Pa ?=
()
0.45
0.240.75
0.490.79
20.50.240.29
0.240.001222382.4364sat sat p l l l
FZ lv l v
T p c k h W m K h ρσμρ
??=
=?；
()1Re 13933.22l l
G x d
μ-=
=，Pr 1.67l pl
l l
C μκ==
0.80.420.023Re Pr 3125.771l l l l h k W m K ==?
0.5
0.1
0.9
1 2.2910v l l v x X x ρμρμ????-??==< ? ?
???????
0.736
11.0,0.10112.350.213,0.10X F X X ?
≤??
=????+> ?????
，故 1.711F = 25347.875FC l h h F W m K ==?
1.25Re Re 27263.5TP l F ==，4
Re Re 10
2.7263532.5TP TP -'=?=<
)()11.141
0.7810.12Re ,Re 32.5
10.42Re ,32.5Re 700.1
,Re 70TP TP
TP TP TP S --?''+
'>??
，故
0.7265S = 21730.82NB FZ h Sh W m K ==? 27078.7B NB FC h h h W m K =+=?
227078.7 2.7819678.75B sat q h T W m W m =?=?=。
(2) 11.1sat T C ??=，5%x =，53611sat p Pa ?= 同(1)可得217000.573B h W m K =?，2
188706.35q W m =。
(3) 22.2sat T C ??=，20%x =，125639sat p Pa ?= 同(1)可得233228.98B h W m K =?，2
737683.4q W m =。
2、在一环状流中，介质质量流速为G ，液膜中有e 份额的液体被夹带进入气芯，与气相等速运动，速度为g u ，剩余的部分液体(1e -的份额)形成液膜，其流速为l u 。设气芯中气相空泡份额为α，液膜所占截面份额(hold-up)为γ，气芯中液滴所占份额为()1αγ--。求此时管道内的加速压降。
'l l g G G G G =++，其中l G 为液膜的质量流速，'l G 为气芯中的液滴的质量流速，
g G 为气相质量流速。而l l l G u γρ=，()'1l
l g G u αγρ=--，g g g G u αρ=，'
'
l l l
G e G G =+。 2a TP
dp dv G dz dz
-=，其中
()()
2
2
11TP g l x x v ραρα-=+
-。而g g
g
G u x G
G
αρ=
=
，
()()'111g
l l l l l
G G G G G u x G
G e G e G γρ-+-=
===--，故()()2
22222
11g g l l TP u u v G e G
αργρα=+--。 因此联立(1)(2)可得：()()2222
211a l l TP g g dp u dv d G u dz dz dz e γραρα??-==+ ? ?--??
。
3、Biasi 试验计算式是基于4500多个试验数据点而总结得到的临界热流密度(CHF)计算式，既可用于计算偏离泡核沸腾的DNB ，也可计算干涸(Dryout)工况的CHF 。该计算式写为压力p 、质量流速G 、干度x 以及管径D 的函数形式，如下：
对于2300G kg m s <，有：
()()()[]70.62,15.048101001,W m n
CHF Biasi bar q D G H p x --=??-；
对于2
300G kg m s >，则取下列两式结果的较大值：
()()()
()71612
,1
2.76410100 1.468,W m n
CHF Biasi bar q D G F p G x ---??=??-??
()()()
()[]7
162,2
15.048101001,W m n
CHF Biasi bar q
D G H p x --=??-
式中，
()()0.72490.099exp 0.032bar bar bar F p p p =+-
()()()1
2
1.1590.149exp 0.019910bar bar bar bar bar H p p p p p -=-+-++
0.4 D 0.01m
0.6 D < 0.01m
n ≥?=?
? bar p 为以bar 为单位表示的压力值；D 的单位是m ；G 的单位是2kg m s 。
现有一个竖直的，均匀加热的高压水沸腾试验段，压力 6.89MPa p =，管径
10.0mm D =，管长 3.66m L =，入口欠热焓60.38910J kg sub h ?=?，水的汽化潜热
61.5110J kg fg h =?，质量流速22000kg m s G =。若在试验通道出口处达到干涸工况的
，请计算该试验段的加热热流密度CHF q 以及该通道的加热功率Q 。
解：出口处的含气率x 与加热热流密度q 的关系为：(由能量守恒来推导)
()244 out i out sat sub fg fg sub sat i D DLq h h G h h qL x x h h GD h h h h ππ
?
=-??-???
=?=-?? ????
?
?=-??
编写程序，迭代运算求解结果，matlab 程序如下： p=68.9; G=2000; D=0.01; n=0.4; L=3.66; delta_h_sub=0.389e6; h_fg=1.51e6; %
F=0.7249+0.099*p*exp(-0.032*p);
H=-1.159+0.149*p*exp(-0.019*p)+9*p/(10+p^2); % q=1e6; while (1)
x=(4*q*L/(D*G)-delta_h_sub)/h_fg;
q_CHF_1=2.764e7*(100*D)^(-n)*G^(-1/6)*(1.468*F*G^(-1/6)-x); q_CHF_2=15.048e7*(100*D)^(-n)*G^(-0.6)*H*(1-x); if q_CHF_1>=q_CHF_2 q_CHF=q_CHF_1; else
q_CHF=q_CHF_2; end
error=abs(q-q_CHF); if error<=1e-1 q=q_CHF; break ; end
if q dq=(q_CHF-q)/10; q=q+dq; else q=q_CHF; end end Q=pi*D*L*q; 运行程序可得2 1480919.3W m CHF q q ==，Q==170279.4W 17kW DLq π≈。 、在一均匀加热的等直径蒸发圆管中，进口为饱和水，其流量为0.15kg s ，出口压力为60bar ，干度为0.3。设管子内径为10mm ，试按均相流模型计算加速压降；若按分相流模型计算，加速压降又为几何？ 解：均相流模型： ()()222 11a v l x dp d x G dz dz ραρα??--=+??-???? ，积分可得： ()()()()22out 2222in 11111a v l v l l x x x x p G dz G ραραραραρ??????--??-?=+=+- ??? ?--?????????? ?，式中x ，α为出口处的数据。 又因为()111v l x s x αρρ= -+，1s =，所以()1 11v l x x αρρ=-+。 将3757.998kg m l ρ=，330.8184kg m v ρ=，0.3x =，2 0.15 40.01 G π=??代入可得： 34063.4Pa a p -?=。 分相流模型： 计算同均相流模型，但是()1 11v l x s x αρρ= -+ 中的1s >，用不同的s 进行计算可得如 下曲线： 从曲线趋势可以看出，在低滑速比情况下，分相流模型计算结果比均相流模型的小，在一定的滑速比之后，结果相反。 5、有质量流量为0.12kg s 的过冷水从某均匀加热圆管内流过，管内径为12mm ，管长为3m ，管壁加热的热流密度为2900kW m ；水的入口压力为5MPa ，入口欠热度(以焓差in in sat h h h ?=-表示)为600kJ kg 。试以Saha-Zuber 关系求FDB 点位置，以及该处水的欠热度。 解：5MPa 压力下水的物性参数为：610010Pa s l μ-=??，0.604155W m K l k =?， 5036.84J kg K pl c =?，Pr 0.833747=。 故得Re 127324e l GD μ= =，Re Pr 106156>70000Pe == ，故0.0065St =。 又因为()pl sub FDB q St Gc T = ?，故得： ()154 25.9sub FDB pl q T C Gc ??==。 由热力平衡关系得： () ()221 4 1 4FDB pl FDB in in pl sub FDB pl q Dz G D c T T h G D c T c πππ=-???=-? ? ??? 故()in 1.66m 4pl FDB sub FDB pl Gc h z T q c ???=-?= ? ??? 。 三、分析题（第1题7分，第2题8分，共15分） 1、有一沸腾通道，长为L ，周长为H P ，截面积为A 。流体的饱和液相密度为f ρ，饱和汽相密度为g ρ，汽化潜热为fg h 。 假设： ① 通道为均匀加热通道，且加热热流为" q ； 饱和液体进口条件(in f h h =)，出口为两相流体； ③ 采用两相流动的均相模型； ④ 系统压力p 恒定。 试推导并分析（定性画出时间序列曲线）沸腾流道内任一截面z (z 为沸腾通道长度坐标)上两相混合物体积流通量(),j z t 及混合物密度(),h z t ρ对入口速度()in j t 按下面阶跃函数()?? ?>≤<=1 211,0,t t j t t j t j in 对对(其中t 为时间坐标)变化的响应。 解：由连续性方程可得： ()()()()11in f g f f in f g j z j z z j z j j ραραρραρρ=+-???????=- ? -? ? 由热力平衡可得： ()()()()"1"",H g g f f f in f f g f g H H in in f g fg f g fg q zP h Aj z h Aj z h Aj q P q P j z z j Cz j C Ah Ah αραρρρρρρρρρρ=+--??--?=+=+= ? ??? 为常数 因此in j 阶跃变化后的j 的变化形式为： ()"1,f g in in H h g f f f in f g fg j j q P C j Cz j Ah ρρραραρρρρρ??-=+-=== ? ?+?? 为常数 故in j 阶跃变化时h ρ的变化曲线如下： in j 发生阶跃突变后，()j z 与()h z ρ均发生突变。 2、在某一沸腾通道(如图3所示)，管内加热周长为H P ；流道截面积为x A ；管壁含内热源 '''q (初始释热率为'''0 q )，相应的管壁热流为''q (初始 释热率为''0q )；入口体积流速为in j (初始入口体积流速为0in j )；相应入口质量流速为G (初始入口质量流速为0G )，入口焓为in h (初 始入口焓为0in h )。并假设：○ 1管壁体积释热率为均匀分布；○2无欠热沸腾。 试采用均相流模型导出：流道内单相区与两相区分界面(沸腾边界)的频域波动()s δλ 随入口表观流速扰动()in j s δ 、管壁体积释热率扰动()''' H q s δ ，以及入口流体焓扰动()in h s δ 变化的关系式。 图 3 稳态初始情况下由热平衡可得： ()()() ''0000000'' 0,1H x f in x f in f H q P G A h h G A h h h q P λλ=-? -= 为饱和水焓 对于单相液体区，其能量守恒方程式为： ()''2l l H l x i i q P G t z A ρ??+=?? 其中l i 为单相液体的热焓。 对(2)在初始稳态下进行微小扰动并进行拉氏变换得： ()''00 3l H l l l in l x i P d s i j G i q z dz A ρδρδδδ???++= ???? 其中，'' 000l H x i q P z G A ???= ????。 因此(3)式经整理可得： ()'' ''0 ''000 04H in l l in x in P q j d s q i i dz j G A q j δδδδ?? +=-???? 又因为δλ 与()0l i δλ 有如下关系(依据斜率关系)： ()()''00005l l H x i i q P z G A δλδλ???-== ???? 而对于'''q δ 与''q δ 间的关系，有： ()''' ''6w w pw w w w H dT C A q A q P dt ρ=- 式中，w A 为管子的材料截面积，其他下标有w 的均为管子的材料性质参数。 对式(6)进行微扰动并取拉氏变换可得： ()()()()()1212''''';7; 1 ; w H w pw w w pw T Z s q Z s q P Z s C A s Z s C s δδδρρ=+=-= 对于单相液体，有： ()()''8l w l q h T T =- 式中l h 为单相的换热系数，由D-B 公式(0.80.80.023Re Pr l l l Nu =)知其与平均速度的0.8 对(8)式在稳态初始状态下取微扰动并忽略高阶无穷小，进行拉氏变换得： ()''''000000''9l l l in l w l w pl l pl in i h i j q h T q h T q a C h C j δδδδδδδ????=-+=-+ ? ? ? ????? 式中，0.8a =。整理式(9)可得： ()''000''10l in w l in pl i j T q q a h j C δδδδ??=-+???? 将式(10)代入式(7)可得： ()()()()()'' 2000 1010010'''''11111l in l l l l in pl l Z s h q a j h q q i Z s h Z s h j C Z s h δδδδ=+----???? 将式(11)代入式(4)可得： ()()()()()()()()()()()()123'''00010001''0 2001'' 020 2001''';12;11; 1; 1in l l in l H in x pl l H x pl l l H x pl l j d q i I s i z I s I s dz j q h P s I s j G A C h Z s P q a I s G A C h Z s h Z s P q I s G A C h Z s δδδδ+=+= +-??? ???= -??-????=??-?? 解微分方程(12)并结合边界条件()0l in i z h δδ== ，可得： ()()()()()()()()2310''' 00102 31'''00'''ln '''in in in in in j q I s I s I s i j q I s j q I s I s I s h j q δδδλλδδδ??+-??? ?-=??+-???? 整理可得： ()()()()()()()(){} ()2301010'''1 010'''exp 1exp 13in l in in I s I s j q i h I s I s I s j I s q δδδλδλλ??=-++--???????? 将式(13)代入式(5)可得： ()()()()()()()()()() (){} ()()() (){} ()()123'' 20110001''30210'''001''03100''';141exp ;1exp ;exp ;in in H x in H x H x s j s s q s s h s I s q P s I s G A j I s I s q P s I s G A q I s q P s I s G A δλδδδλλλ=Λ+Λ+ΛΛ=---????Λ=---????Λ=--???? 第一章绪论 第一节两相流及其定义 异质物体或系统中，各存在分界面的独文物质称之为相。众所周知，自然界常见酌物质有三相，即固相+液相和气相。因此，由任意两种存在分界试坤独物质组成【十体或系统 都称之，为两相物体或两相表统。树如，水和己的撮合物为一种两相物体，因为水和卸：都是存 在分界面的独立物质。但是，'盐水浴液是一种单相物体，田为在此溶液中盐和水之间无分界 面，盐和水不居两种独立存在的物质。 两相物体的流动称为两相流。在两相城中，两相之闻不仅存在分界面，面且进一公界面是随者派动在不断变化的。因此，两相觥可定义为存在变动外界面的两种狡文物质组成的物体的 . 流动。气体和固体耦粒洇合物的流动为一种两相流，因为在此甜动表统中不仅存在两种独立 物质，而且这两种物质之间的分界面是随流动面变化的。 根据两相流的定义，可以将两相褓大致分为如下三类，气体和液体共同流动时气筱两相流，气体和固体耦】位共同流动的气团两相流·液体和固体解放共同流动的液固两相流。忱 外，两种不同组分液体的共同流动也届于两相流范辟， 本书主要讨论气液两相流的流体动力学和悦据传热问题。 气踺两相流根据物质组分的不同又可分为两种。由同一组分枸顶种相组成髀气液两相流称为单组分】液两相舐，例如由木鼓汽和水构成的两相硫。由不同组士的两种相组成肿气踺 两相硫称为】组公气液两相流，例如由空气卸水构成的气淹两相流。在不监生相变的流动过 程中，单组分两相流和】煳i分两相流适用同样的物理规铮，因而可通称为气液两相硫。 棣揖散热惜晚的不同，气密两相硫还可公为绝热气淹两相掀和有热弈换酌气密两相硫。 当存在热交投时，在单组分气筱两相部中伴随菹流动含线工质的相交。 两·相铈这一术语在本世纪30年代苜光出现于美国的一些研究生论文中。l945年，苏碟苜先将毡一来语应用于正式出版的学术刊物上。 莫+ 苏、银三国在本世纽20年代已''开始了气淹两相硫的研究工作，日本姑子即年代，我国在60年代也开始了这方面的研究工：，ff；·。' 总的来说，气被两相硫的研究历史较短，它是一门 年轻的大有发思前逮脾单科。 第二节气液两相流和传热学科的进展与工程的关系 气淹两相涨体的雅动工况在动力，化工、按酯、制冷、石油，冶金等工业中经徐迪到。 】这些工业的具有热弈换的设备中还存在两相硫体酌传热问题。例如，在核电站和火力发电 姑中的各种部聘管、各式气雅混合器，气液分离器、各种热交换鹊、楫饬, 化学反拉俊各， -I- PDF 文件使用”pdfFactory Pro 试用版本创建 [实验一]用球体法测定粒状材料的导热系数 一、实验目的 1、巩固和深化稳态导热的基本理论，学习测定粒状材料的热导率的方法。 2、确定热导率和温度之间的函数关系。 二、实验原理 热导率是表征材料导热能力的物理量，其单位为W/(m ·K)，对于不同的材料，热导率是不同的。对于同一种材料，热导率还取决于它的化学纯度，物理状态（温度、压力、成分、容积、重量和吸湿性等）和结构情况。各种材料的热导率都是专门实验测定出来的，然后汇成图表，工程计算时，可以直接从图表中查取。 球体法就是应用沿球半径方向一维稳态导热的基本原理测定粒状和纤维状材料导热系数的实验方法。 设有一空心球体，若内外表面的温度各为t 1和t 2并维持不变，根据傅立叶导热定律： dr dt r dr dt A λπλφ24-=-= （1） 边界条件 2 211t t r r t t r r ====时时 （2） 1、若λ= 常数，则由（1）（2）式求得 1 22121122121) (2)(4d d t t d d r r t t r r --=--=πλπλφ[W] ) (2) (212112t t d d d d --= πφλ [W/(m ·K)] (3) 2、若λ≠ 常数，（1）式变为 dr dt t r ) (42λπφ-= （4） 由（4）式，得 将上式右侧分子分母同乘以（t 2－t 1），得 )()(412122 2 1 2 1 t t t t dt t r dr t t r r ---=?? λπφ (5) 式中 1 22 1 )(t t dt t t t -?λ项显然就是λ在t 1和t 2范围内的积分平均值，用m λ表示即 沸腾传热强化技方法及比较 摘要针对强化沸腾传热方法，本文主要主要对粉末烧结法、喷涂法进行了介绍，分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 关键词沸腾传热；强化传热；喷涂多孔表面；粉末多孔表面 Boiling heat transfer enhancement techniques and comparison Abstract:To the enhanced boiling heat transfer method, this paper mainly focuses on introducing the powder sintering method, spray method .analyzing the advantages and disadvantages of various methods, and comparing the various methods of heat transfer enhancement effect. Key words: Boiling heat transfer Heat transfer enhancement Spraying porous surface Powder porous surface 1 前言 在常规能源不断减少, 节约和有效使用能源的要求不断提高的形势下, 强化传热技术已经成为传热研究领域的一个重要课题. 强化传热研究, 特别是强化沸腾传热研究, 对提高能源的有效利用率, 新能源开发和高热负荷下材料的热保护等有重要意义. 目前强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构。常用的表面结构有各种形状的沟槽、肋片和多孔表面。其中自20 世纪60 年代发展起来的多孔表面换热器以其高效沸腾换热、低温差沸腾、高临界热流密度和良好的反堵塞能力, 已成为一种工业应用前景广泛的换热装置。本文主要进行喷涂多孔表面、粉末多孔表面等沸腾传热研究, 分析了各种方法的优缺点, 并对各种方法的强化传热效果进行了比较。 2沸腾强化传热技术 对汽泡的成因和运动规律的研究是掌握沸腾原理和探讨沸腾传热强化方法的基础, 已有的研究表明, 影响汽泡状沸腾传热的主要因素有： ( 1) 流体特性参数的影响汽体压力增高能使汽化核心增多, 汽泡脱离频 率增大, 因而能使沸腾传热增强。流体与换热表面的接触角小, 则汽泡脱离频率增高, 因而能增强沸腾传热。 ( 2) 换热面特性的影响换热面的加工方法、表面粗糙度、材料特性以及新旧程度都能影响沸腾传热的强弱。试验表明, 同一液体在抛光壁面上沸腾传热时, 其传热系数比在粗糙壁面上沸腾传热时低,这主要是由于光洁表面上汽化核心较少的缘故。液体在新的换热面上沸腾时, 传热系数较高, 随着运行时间增长, 一部分汽化核心丧失了汽化能力, 于是传热系数逐渐下降到某一稳定值。传热面材料能否被液体湿润, 对传热系数也有相当影响, 同样条件下, 液体和材料特性组 沸腾传热 开放分类：物理、热量 沸腾传热 boiling heat transfer 热量从壁面传给液体，使液体沸腾汽化的对流传热过程。化工生产中常用的蒸发器、再沸器和蒸气锅炉，都是通过沸腾传热来产生蒸气的。 类型按液体所处的空间位置，沸腾可以分为：①池内沸腾。又称大容器内沸腾。液体处于受热面一侧的较大空间中，依靠汽泡的扰动和自然对流而流动。如夹套加热釜中液体的沸腾。②管内沸腾。液体以一定流速流经加热管时所发生的沸腾现象。这时所生成的汽泡不能自由上浮，而是与液体混在一起，形成管内汽液两相流。如蒸发器加热管内溶液的沸腾。 机理沸腾传热与汽泡的产生和脱离密切相关。汽泡形成的条件是:①液体必须过热;②要有汽化核心。这些条件是由汽泡与周围液体的力平衡和热平衡所决定的。根据表面张力，可算出汽泡内的蒸气压力pv 为： 式中pe为周围液体的压力,忽略液柱静压时,即为饱和蒸气压ps；σ为汽液界面张力；R为汽泡半径。由于pv>ps，汽泡内蒸气的饱和温度Tv必然大于与ps对应的饱和温度Ts。汽泡周围的液体若要汽化进入汽泡，则它的温度Te必须大于或至少等于汽泡内蒸气的饱和温度，即Te≥Tv。从上式可知，当R=0时，pv将趋于无限大。因此在一个绝对光滑的平面上是不可能产生汽泡的，必须有汽化核心。加热表面上的划痕或空穴中含有的气体或蒸气，都可作为汽化核心。紧贴这些核心的液体汽化后，形成汽泡并逐渐长大，然后脱离表面，接着又有新的汽泡形成。在汽泡形成与脱离表面时造成液体对壁面的强烈冲击和扰动，所以对同一种液体来说，沸腾传热的传热分系数要比无相变时大得多。常压下水沸腾时的传热分系数一般为1700～51000W/(m2·K)。 沸腾曲线池内沸腾根据过热度（加热壁面温度TW与液体饱和温度Tm之差,ΔT=TW-Tm）的大小,分为泡核沸腾和膜状沸腾（见图）。当过热度很小时，传热取决于单相液体的自然对流。当过热度增大时，汽泡不断在壁面上产生，并在液体中上升和长大,这对液体对流起着显著作用,称为泡核沸腾。此阶段中传热分系数h，随ΔT增大而明显上升。当过热度超过某临界值时，汽泡大量产生，在壁面连结成汽膜，称为膜状沸腾。在此阶段初期，汽膜不稳定，随时破裂变成大汽泡，离开加热面。随过热度的增大，汽膜渐趋稳定。由于汽膜的热导率很低，使传热分系数下降。当过热度很大时，辐射传热起了重要作用，使传热分系数重新上升。由于泡核沸腾具有传热分系数大和壁温低的优点，故工业设备中的沸腾传热多在此状况下进行。 影响沸腾传热的因素影响沸腾传热过程的因素很多，包括液体和蒸气的性质、加热面的表面物理性质和粗糙程度，尤其重要的是液体对表面的润湿性以及操作压力和温度差。在泡核沸腾范围内，温度差越大，传热分系数也越大。加热壁面粗糙和能被液体润湿时，也能使传热分系数增大。据此，将细小金属颗粒沉积于金属板或管上，制成金属多孔表面，可使沸腾传热分系数提高十几倍至几十倍。 传热学上机实验 班级: 学号： 姓名： 一：实验问题 一个长方形截面的冷空气通道的尺寸如附图所示。假设在垂直于纸面的方向上冷空气及通道墙壁的温度变化很小，可以忽略。试用数值方法计算下列两种情况下通道壁面中的温度分布及每米长度上通过壁面的冷量损失： (1)内、外壁面分别维持在10℃及30℃； (2)内、外壁面与流体发生对流传热，且有λ=0.53W/（m·K），t f1=10°C、h1=20W/（m2·K）, t f2=30°C、h2=4W/（m2·K）。 二：问题分析与求解 本题采用数值解法，将长方形截面离散成31×23个点，用有限个离散点的值的集合来代替整个截面上温度的分布，通过求解按傅里叶导热定律、牛顿冷却公式及热平衡法建立的代数方程，来获得整个长方形截面的温度分布，进而求出其通过壁面的冷量损失。 1. 建立控制方程及定解条件 对于第一问，其给出了边界上的温度，属于第一类边界条件。 ????? ??? ??=?==??+??C C y t x t 301002222外壁温内壁温 对于第二问，其给出了边界上的边界上物体与周围流体间的表面传热系数h 及周围流体的温度 t f ，属于第三类边界条件。 ()?????? ?-=??? ????-=??+??f w w t t h n t y t x t λ02222 2. 确定节点（区域离散化） 用一系列与坐标轴平行的网格线把长方形截面划分为31×23个节点。则步长为0.1m ，记为△x=△y=0.1m 。 3. 建立节点物理量的代数方程 对于第一问有如下离散方程： ()()()()()()()()()()? ??? ???? ? ????? ???+++==?==?==?==?==?==?==?==?=+-+-代表内部点,，点41 26~6,1018,26~6,106,18~6,10,2618~6,10,631~1,3023,31~1,301,23~1,30,3123~1,30,11,1,,1,1,n m t t t t t n C m t n C m t n C n t n C n t n C m t n C m t n C n t n C n t n m n m n m n m n m 对于第二问有如下离散方程： 对于外部角点（1,1）、（1,23）、（31,1）、（31,，23）有： ()()02 222,1,,22,,1,22 =??-+-?+??-+-?±±x y t t t t x h y x t t t t y h n m n m n m f n m n m n m f λλ 得到： ()()()()????? ??? ?? ? ++ =++=++=++=22,3123,3023,312,311,301,3122 ,123,223,12,11,21,11865331400186533140018653314001865331400t t t t t t t t t t t t 同理可得： 对于内部角点（6,6）（6,18）（26,6）（26,18） ，有 ()() ()()()()()()????? ??? ??? ++++ =++++ =++++=++++=7,2618,2518,2719,2618,267,266,256,275,266,2618 ,717,619,618,518,67,66,75,66,56,671853359533592000718533595335920007185335953359200071853359533592000t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t 沸腾换热计算式 沸腾换热计算式 (1)大容器饱和核态沸腾 前面的分析表明，影响核态沸腾的因素主要是壁面过热度和汽化核心数，而汽化核心数又受到墨面材料及其表面状况、压力和物性的影响。由于因素比较复杂，如墨面的表面状况受表面污染、氧化等影响而有不同，文献中提出的计算式分歧较大。在此仅介绍两种类型的计算式：一种是针对某一种液体的；另一种是广泛适用于各种液体的。当然，针对性强的计算式精确度往往较高。 对于水,米海耶夫推荐的在105～4×106Pa压力下大容器饱和沸腾的计算式为 (3-4) 按q=h△t的关系,上式也可转换成 (3-5) 以上两式中 h:沸腾换热表面传热系数,W/(m2·K) p:沸腾绝对压力,Pa; △t:壁面过热度,℃; q:热流密度,W/m2。 基于核态沸腾换热主要是气泡高度扰动的强制对流换热的设想,推荐以下使用性光的实验关联式: (3-6) 式中 c pl:饱和液体的比定压热容,J/(kg·K); C wl:取决于加热表面-液体组合情况的经验常数; r:汽化潜热,J/kg; g:重力加速度,m/s2; Pr l:饱和液体的普朗数,Pr l=c plμl/k l; μl:饱和液体的动力粘度,kg/(m·s); ρl、ρv:饱和液体和饱和蒸汽的密度,kg/m3; γ:液体-蒸汽截面的表面张力,N/m; s:经验指数,对于水s=1,对于其他液体s=1.7。 由实验确定的C wl值见表3-1。 表3-1 各种表面-液体组合情况的C wl值 图3-5 铂丝加热水的沸腾换热实验数据的整理水在不同压力下沸腾的实验数据与式(3-6)的比较见图3-5。 式(3-6)还可以改写成为以下便于计算的形式: (3-7) 这里要着重指出两点： 1）式（3-6）实际上也是形如Nu=f（Re，Pr）或St=f（Re，Pr）的主则式。其中： 是以单位面积上的蒸汽质量流速q/r为特征速度的Re数；为特征长度，它正比于旗 袍脱离加热面时的直径。不难证明，r/c pl△t就是St数，其中Nu数也以为特征长度。 2）由于沸腾换热的复杂性，目前在各类对流换热的准则式中以沸腾换热准回式与实验数据的偏差程度最大。以图3-5所示情形为例，当已知△t计算q时，计算值与实验值的偏差可达±100％；而由于q～△t3，因而已知q计算△t时，则偏差可缩小到±33％左右。 对于制冷介质而言，以下的库珀(Cooper）公式目前得到教广泛的应用： （3-8） 式中，M r为液体的分子量；p r为对比压力（液体压力与该流体的临界压力之比）；R p为表面平均粗糙度，μm（对一般工业用管材表面，R p为0.3～0.4μm）；q为热流密度，W/m2；h的单位为W/（m2·K）。 一、实验目的 1、了解对流换热的实验研究方法； 2、测定空气横向流过管束表面时的平均放热系数α，并将实验数据整理成准数方程式； 3、学习测量风速、温度、热量的基本技能。 二、主要实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、倾斜式微压计、皮托管、电位差计、功率表以及调压变压器等组成。 三、实验原理 根据相似理论，流体强制流过物体时的放热系数α与流体流速、物体几何参数、物体间的相对几何位置以及物性等的关系可用下列准数方程式描述： Pr)(Re,f Nu = 实验研究表明，空气横向流过管束表面时，由于空气普郎特数（Pr=0.7）为常数，故一般可将上式整理成下列的指数形式， n C Nu Re = 式中 C,n 均为常数，由实验确定， Nu ——努塞尔特准数 λ ad Nu = Re ——雷诺准数 v d ω= Re 上述各准则中，α——壁面平均对流换热系数[?2/m W ℃] d ——实验管外径，作为定性尺寸，[m] λ——空气导热系数，[?2/m W ℃] ω——空气流过实验管外最窄截面处流速，[m/s] ν——空气运动粘度，]/[2s m 定性温度：空气边界层平均温度)(2 1 f w m t t t +=。 式中：m t ——实验管壁面平均温度[℃] f t ——空气平均温度本实验的任务在于确定C 与 n 的数值，首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压 V 、管壁温度w t 、空气温度f t 、微压计动压头h 。至于α和ω在实验中无法直接测得，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查得。得到一组数据后，可得一组 Re 、Nu 值；改变空气流速，又得到一组数据，再得一组 Nu 、Re 值；改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 四、实验数据及处理结果 1.测试所得原始数据 表1测试数据表 2.数据分析与计算 ◆表2热电偶测管温度平均值 ◆已知管长L=450mm,管直径d=40mm ，求得管表面积为205655 .0m L d A =??=π ◆空气进出口的平均绝对温度[K]:K T T T f 15.273)(2 1 21++= ,（见表3）由差值法及查表可知，热电偶 第四章 流动沸腾 液体在管道或回路中流动时，产生的沸腾现象称为流动沸腾。 这种流动可能是外力强制形成，也可能是回路内的流体的密度差引起的自然循环。由于流动沸腾中伴随着各种类型的汽液两相流动，所以比池内沸腾更复杂。目前还无法对流动沸腾过程进行解析求解，研究的途径主要是实验。 §4-1 流型与沸腾工况 流动沸腾的特点: 1). 由于管道的沿途加热和液体蒸发，汽液两相流的流型 会发生一系列的变化。 2). 随着容积流量的增大，流体逐步加速使压力降增大， 而引起系统压力的下降，饱和温度也随之降低，这反过来对流型和沸腾产生影响。 因此，对沿加热管的流动沸腾，需分段进行分析计算。 3). 工程上，加热管的配置有竖直和水平两种典型方式（倾 斜布置管道处于二者之间）。在这两种情况下的流动和沸腾特性有明显的差别，一般分开研究。 一、竖直管内流动沸腾的流型和换热工况 如图，是典型的竖直管内流动沸腾的流型和换热工况。 当单相流体从下部进入加热管后， ①一开始，加热壁上尚不具备成核条件，这时流动为单相流，换热工况为液体的单相对流换热（A区）。 ②随着液体被加热，温度升高，逐步使壁面上的某些开始满足成核条件，开始出现小汽泡。当汽泡长大到一定尺寸后，脱离壁面进入主流，在汽泡刚开始产生的阶段，液体核心区的温度高低于对应的主流压力下的饱和温度，使脱离壁面而后的小汽泡很快在过冷的液体中凝结，加速液体升温，使换热增强。这时的换热工况为流动过冷沸腾，其流型是泡状流(B区)。 ③当液体的主流温度达到饱和温度后，进入主流的汽泡不再凝结，换热进入饱和沸腾工况。 ④随着液体中汽泡数量的不断增加，小汽泡之间发生碰撞与合并，开始出现较大的汽团或称弹状大汽泡，其流型由泡状流演变为弹状流动(仍为饱和沸腾)。 ⑤随着液体的进一步汽化，含汽量的增加，两相流型转变为环状流，即汽相在管中心区，而液相附着于管壁上。 ⑥随着液层的变薄，壁面上的沸腾逐渐被抑制，汽化转变为汽液分界面上的蒸发，换热工况由饱和沸腾逐步变为强制对流蒸发。 这时，若壁面温度很高或壁面热流密度很大，则从环状流可以一直演变为雾环状流和雾状流，或者以泡状流直接过 度到反环状流。 环状流与反环状流的区别与成因： a). 环状流发生在两相流干度(质量含汽率x大)较高的条件，（汽多），核心区以蒸汽夹带夜滴为主； b). 反环状流则发生在高热负荷低干度（x小）的条件下，在壁面上形成一层气膜，主流核心区则是液体。 《传热学》实验指导书 实验名称：强迫流动单管管外放热系数的测定 实验类型: 验证性实验 学 时：2 适用对象: 热动、集控、建环、新能源等专业 一、实验目的 1.该项实验涉及较多课程知识，测量参数多，如风速、功率、温度，可考查学生的综合能力。 2.测量空气横向流过单管表面的平均表面传热系数h ，并将实验数据整理成准则方程式。 3.学习测量风速、温度、热量的基本技能，了解对流放热的实验研究方法。 二、实验原理 根据相似理论，流体受迫外掠物体时的表面传热系数h 与流速、物体几何形状及尺寸、流体物性间的关系可用下列准则方程式描述： ),(r e u P R f N = 实验研究表明，流体横掠单管表面时，一般可将上式整理成下列具体的指数形式： m n r m n e um P CR N ?= 式中：m n c ,,均为常数，由实验确定 努谢尔特准则---um N m um hd N λ= ---em R 雷诺准则 m em d R νμ= ---rm P 普朗特准则 m n rm P αν= 上述各准则中--d 实验管外径，作定性尺寸(米) --μ流体流过实验管外最窄面处流速，（)/s m --λ流体导热系数（)/K m W ? --α流体导温系数)/(2s m --ν流体运动粘度)/(2s m --h 表面传热系数)/(2K m W ? 准则角码m 表示用流体边界层平均温度)(2 1 f w m t t t -= 作定性温度。 鉴于实验中流体为空气，rm P =0.7，故准则式可化成： n em um CR N = 本实验的任务在于确定n c 与的数值。首先使空气流速一定，然后测定有关的数据：电流I 、电压V 、管壁温度w t 、空气温度f t 、测试段动压P 。至于表面传热系数h 和流速μ在实验中无法直接测量，可通过计算求得，而物性参数可在有关书中查到。得到一组数据后，即可得一组e R 、u N 值，改变空气流速，又得到一组数据，再得一组e R 、u N 值，改变几次空气流速，就可得到一系列的实验数据。 三、实验设备 本对流实验在一实验风洞中进行。实验风洞主要由风洞本体、风机、构架、实验管及其加热器、水银温度计、动压计、毕托管、电位差计、电流表、电压表以及调压变压器组成。 由于实验段前有两段整流，可使进入实验段前的气流稳定。毕托管置于测速段，测速段截面较实验段小，以使流速提高，测量准确。风量由风机出口挡板调节。 第35卷第11期中国电机工程学报V ol.35 No.11 Jun. 5, 2015 2788 2015年6月5日Proceedings of the CSEE ?2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.11.017 文章编号：0258-8013 (2015) 11-2788-08 中图分类号：TK121 卧式螺旋管内过冷沸腾换热特性实验研究 孔令健，韩吉田，陈常念，逯国强，冀翠莲 (山东大学能源与动力工程学院，山东省济南市 250061) An Experimental Investigation on Subcooled Boiling Heat Transfer in a Horizontal Helical Coil KONG Lingjian, HAN Jitian, CHEN Changnian, LU Guoqiang, JI Cuilian (School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China) ABSTRACT: The subcooled boiling heat transfer of R134a in a helical tube was experimentally investigated. The experiments were carried out at pressure ranging from 0.41 to 0.63MPa, subcooled from 6 to12℃, heat flux from 0.11 to 10.9 kW?m?2 and mass flux from 147 to 249kg?m?2?s?1. The wall temperature distribution of a horizontal helical coil was analyzed on the conditions of subcooled boiling. The experimental results indicate that the wall temperature distributions of the cross sections are non-uniform. The location of the cross section was found to has a significant impact on the transition from partial to fully developed subcooled flow boiling. The effects of the boiling heat flux, refrigerant mass flux, system pressure and inlet subcooling of R-134a on the coefficient of subcooled boiling heat transfer were explored in detail. The R134a subcooled flow boiling heat transfer coefficient increases with an increase in heat flux and system pressure. However, raising the inlet subcooling can cause a reduction on boiling heat transfer coefficient. Besides, the mass flux exhibits rather slight effects on heat transfer coefficient. The correlation of subcooled boiling heat transfer coefficient in horizontal helical coil was developed on the basis of regression analysis of experimental data. KEY WORDS: horizontal helical coil; subcooled boiling; wall temperature; heat transfer coefficient; correlation 摘要：在系统压力p=0.41~0.63MPa，过冷度ΔT sub=6~12℃，热流密度q=0.11~10.90kW?m?2，质量流量G=147~249kg?m?2?s?1的条件下，对卧式螺旋管内R134a过冷流动沸腾的换热特性进行了实验研究。分析过冷沸腾条件下螺旋管不同截面上的壁温分布表明：截面周向壁温呈现不均匀分布；螺旋管的截面位置对部分过冷沸腾向充分发展过冷沸腾的转变产生了很大影响。分析了各实验参数对充分发展过冷沸腾 基金项目：国家自然科学基金项目(51076084)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51076084). 换热系数的影响趋势：随着热流密度、系统压力的增大换热系数不断增大；但是，当入口过冷度增大时换热系数却在减小；质量流量对换热系数的影响并不明显。对实验数据进行回归分析，发展了适用于卧式螺旋管内充分发展过冷沸腾换热系数的关联式。 关键词：卧式螺旋管；过冷沸腾；壁面温度；换热系数；关联式 0 引言 过冷沸腾作为一种高效的换热手段，在核反应堆、发动机冷却水套、核潜艇动力系统以及超导体线圈冷却等方面有着广泛的应用[1-4]。如我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置(EAST装置)，EAST 第一壁[5]中直接受到等离子体高温作用部件上的热流密度高达4MW?m?2。已有的冷却方法是将冷却水管与热沉通过钎焊的方法联接在一起，通过水的单相对流进行换热，但是随着运行参数的提高，单相换热已很难满足换热要求，必须采用过冷沸腾换热方式。 过冷流动沸腾传热是汽液两相流动与相变传热这两种复杂物理现象的耦合[6]。与饱和沸腾不同的是：过冷沸腾整体处于热力学不平衡状态。此时由壁面进入的热量不完全用于气液相变，部分热量将用于流体温度的提升。因此，研究过冷沸腾的特性与机理具有重要的意义。国内外学者对过冷沸腾已经进行了大量的研究[7-11]。在早期的研究中，Bergles[7]通过实验与理论分析计算相结合的方法对沸腾起始点和传热状况进行了研究，Levy[8]则通过理论分析建立了过冷沸腾中气相体积分数的计算模型，并通过实验数据验证了模型的准确性。Hong Gang[9]等通过实验对矩形窄通道在静态和起伏状态下过冷沸腾起始点进行了研究。研究结果表明： 《传热学》实验指导书 热工教研室编 目录 实验要求 (2) 实验一球体法粒状材料的导热系数的测定 (3) 实验二平板法导热系数的测定 (7) 实验三套管换热器液-液换热实验 (12) 实验四中温辐射黑度的测定 (16) 附录1 铜－康铜热电偶分度表 (22) 附录2 精密数字温度温差仪使用方法 (23) 实验要求 1．实验前应预习与实验有关的教材内容和实验指导书，了解实验目的、实验原理和实验要求，做到心中有数。 2．在实验室要首先熟悉实验装置的构造特点、性能和使用方法，使用贵重仪器时需得到指导教师的许可，方可动用。 3．实验时应严肃认真、一丝不苟，细致地观察实验中的各种现象，并作好记录，通过实验，训练基本操作技能和培养科学的工作作风。 4．实验结束时，学生先自行检查全部实验记录，再经指导教师审阅后，方可结束实验。 5．学生实验时，如出现实验仪器损坏情况，应及时向指导教师报告。6．按规定格式认真填写实验报告，并按期交出。 实验一球体法粒状材料的导热系数的测定 一、实验目的 1.巩固稳定导热的基本理论，学习球体法测定物质的导热系数的实验方法； 2.实验测定被测材料的导热系数λ； 3. 绘制出材料导热系数λ与温度t的关系曲线。 二、实验原理 加热圆球（见图1）由两个壁厚1.2毫米的大小同心圆球（1）组成。小球内装有电加热器（2）用来产生热量。大球内壁与小球外壁各设有三对铜-康铜热电偶（4）。当温度达到稳定状态后，电加热器产生的热量全部通过中间的测试材料（3）传到外 气。 1.大小同心球； 2.电加热器； 3.颗粒状试材； 4.铜康铜热电偶； 5.专用稳压电源； 6.专用测试仪； 7.底盘； 8.UJ36a电位差计图1 加热圆球示意图 测取小球的温度t1，t2，t3, 取其平均温度：T1=(t1+ t2+ t3)/3； 测取大球的温度t4，t5, t6，取其平均温度：T2=(t4+ t5+ t6)/3； 传热学实验1 顺流式换热器传热系数测定 [实验目的] 1. 熟悉换热器性能的测试方法； 2. 了解套管式换热器、螺旋板式换热器和列管式换热器的结构特点及其性能特征； 3. 加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识。 [实验原理] 换热器性能测试实验，主要对应用较广的间壁式换热器中的三种型式：套管式换热器、螺旋板式换热器和列管式换热器进行性能的测试。 图1实验装置简图 1.热水流量调节阀 2. 热水螺旋板、套管、列管启闭阀门组 3.热水流量计 4.换热器进口压力表 5.数显温度计 6.琴键转换开关 7.电压表 8.电流表 9.开关组10.冷水出口压力计11. 冷水螺旋板、套管、列管启闭阀门组12.逆顺流转换阀门组13.冷水流量调节阀 本实验装置换热形式为热水—冷水换热式，工作原理如图2所示。热水加热采用电加热方式，冷、热流体的进出口温度采用数显温度计，通过琴键开关来切换测点。 实验台参数： 1.换热器换热面积{F}： ⑴.套管式换热器具0.45 m2 ⑵.螺旋板式换热器0.65 m2 ⑶.列管式换热器 1.05 m2 2.电加热器总功率：9.0 kw 3.冷、热水泵： ⑴.允许工作温度：< 80 ℃ ⑵.额定流量： 3 m3/h ⑶.扬程：12 m ⑷.电机电压：220 V ⑸.电机功率：370 W 4.转子流量计： ⑴.型号：LZB-15 ⑵.流量：40-400升/小时 ⑶.允许温度范围：0―120 ℃ 1.冷水泵 2.冷水箱 3.冷水转子流量计 4.冷水顺逆流换向阀门组 5.列管式换热器 6.电加热水箱 7.热水转子流量计 8.回水箱 9. 热水泵10. 螺旋板式换热器11. 套管式换热器 [实验操作] 1.实验前准备： ⑴. 熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和性能； ⑵. 打开所要实验的换热器阀门，关闭其它阀门； ⑶. 按顺流方式调整冷水换向阀门的开或关； ⑷. 向冷－热水箱充水，禁止水泵无水运行（热水泵启动，加热才能供电）。 2.实验操作： ⑴. 接通电源；启动热水泵（为了提高热水温升速度，可先不启动冷水泵），并调整好合适的流量； ⑵.调整温控仪，使加热水温控制在80℃以下的某一指定温度； ⑶.分别打开加热器开关（热水泵开关与加热开关已进行连锁）； ⑷.利用数显温度计和温度测点选择琴键按钮，观测和检查换热器冷-热流体的进出口温度。待冷-热流体的温度基本稳定后，既可测读出相应测温点的温度数值，同时测读转子流量计显示的冷-热流体的流量读数；记录上述测试结果； ⑸.实验结束后，首先关闭电加热器开关，5分钟后切断全部电源。 [实验数据与处理] 《传热学》 实验指导书工程热物理教研室编 华北电力大学（北京） 二00六年九月 前言 1．实验总体目标 通过本实验，加深学生对传热学基本原理的理解，掌握相关的测量方法，熟练使用相关的测量仪表，培养学生分析问题、解决问题的能力。 ⒉适用专业 热能与动力工程、建筑环境与设备工程、核科学与核工程 ⒊先修课程 高等数学、大学物理 ⒋实验课时分配 ⒌实验环境（对实验室、机房、服务器、打印机、投影机、网络设备等配置及数量要求） 实验用器材及水电等齐全，布局合理，实验台满足2～3人一组，能够满足实验的要求。 在醒目的地方有实验原理的说明，便于教师讲解及学生熟悉实验的基本原理和方法。⒍实验总体要求 每一学期前两周下达实验教学任务，实验教师按照实验任务准备相应的实验设备，实验期间要求学生严格遵守实验室的各项规章制度。学生要提前预习实验内容，完成实验后按照规定格式写好实验报告，交给实验指导教师，实验指导教师根据实验课上的表现和实验报告给出成绩评定结果。 ⒎本实验的重点、难点及教学方法建议 传热学实验的重点是非稳态（准稳态）法测量材料导热性能实验、强迫对流单管外放热系数测定试验、热管换热器实验，这三个实验都是综合性实验，涉及到传热学的导热基本理论，单相对流换热，热边界层理论，相变换热理论，相似原理等方面的内容，实验仪器涉及到热电耦的使用及补偿方法，比托管的使用，电位差计的使用等等，需要学生对传热学的基本内容和基本概念有清楚的了解。 难点是准稳态法测量材料的热性能实验时的测量时间不好把握，单管外放热系数实验中实验数据的整理中存在着一些技巧，另外如何调节热管的加热功率使之得到更好的热管性能曲线也存在一些技巧。 教学方法：学生提前预习，做实验之前老师提问；学生仔细观察指导教师的演示；实验室对学生开放，一次没有做成功，或者想更好地掌握实验技巧的学生，可以跟指导教师预约时间另做。 哈工大-传热学虚拟仿真实验报告 Harbin Institute of Technology 传热学虚拟仿真实验报告 院系：能源科学与工程学院 班级：设计者： 学号： 指导教师：董士奎 设计时间：2016.11.7 传热学虚拟仿真实验报告 1 应用背景 数值热分析在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、以及日用家电等各个领域都有广泛的应用。 2 二维导热温度场的数值模拟 2.1 二维稳态导热实例 假设一用砖砌成的长方形截面的冷空气通道，其截面如图2.1所示，假设在垂直于纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化很小，可以近似地予以忽略。 图2.1一用砖砌成的长方形截面的冷空气通道截面 2.2二维数值模拟 基于模型的对称性，简化为如图所示的四分之一模 型。 图2.2 二维数值模拟 2.3 建立离散方程 此时对于内部节点，如图2.3： ,1,,1,,,1,,1=? ? - +??-+??-+??--++-x y t t x y t t y x t t y x t t j t j i j t j i j t j i j t j i λ λ λ λ 对于平直边界上的节点，如图2.4： 2 22,,1,,1,,,1=?+Φ??+??-+??-+??-? -+-w j i j t j i j t j i j t j i yq y x x y t t x y t t y x t t λλλ 对于外部和内部角点，如图2.5： 2 43220 2422,,,1,1,,1,,,1,,1,,,1=?+?+Φ??+??-+??-+??-+??-=?+?+Φ??+??-+??-?+-+-?--w n m n m n m n m n m n m n m n m n m w n m n m n m n m n m q y x y x y x t t x y t t x y t t y x t t q y x y x x y t t y x t t λλλλλλ 7.4 沸腾传热的模式 液体的汽化（vaporization）可区分为蒸发（evaporation）和沸腾（boiling）两种。前者指发生在液体表面上的汽化过程，后者则指在液体内部以产生汽泡的形式进行的汽化过程。就流体运动的动力而言，沸腾过程又有大容器沸腾，又称池沸腾（pool boiling）和管内沸腾（in-tube boiling）两种。大容器沸腾时流体的运动是由于温差和汽泡的扰动所引起的，而管内沸腾则需外加的压差作用才能维持。本节通过大容器沸腾的介绍阐明沸腾传热的机理和基本特点，管内沸腾则留待到沸腾传热的影响因素中去介绍。 7.4.1 大容器饱和沸腾的三个区域 现在来做一个观察沸腾传热现象的实验。在盛水的烧杯中置入一根不锈钢细管，通电加热以使其表面上产生汽泡。烧杯底下的电热器用于将水加热到饱和温度，这样在不锈钢管表面上进行的沸腾称为饱和沸腾（saturated boiling）。随着电流密度的加大，亦即表面温度与饱和温度的温差Δt = t w - t s（称为过热度）的增加，烧杯中的水与不锈钢管表面之间的热交换会依次出现以下区域（如图7-14所示）： 图7-14饱和水在水平加热面上沸腾的q~Δt曲线(p = 1.013×105Pa) （1）自然对流区：壁面过热度较小（对于水在一个大气压下的饱和沸腾为Δt < 4℃）时，壁面上没有汽泡产生，传热属于自然对流工况。 （2）核态沸腾区（nucleate boiling）：当加热壁面的过热度Δt > 4℃后，壁面上个别地点（称为汽化核心）开始产生汽泡，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称孤立汽泡区，其沸腾景象如图7-15a所示。随着Δt进一步增加，汽化核心增加，汽泡互相影响，并会合成气块及气柱，图景如图7-15b所示。在这两个区中，汽泡的扰动剧烈，传热系数和热流密度都急剧增大。由于汽化核心对传热起着决定性影响，这两区的沸腾统称为核态沸腾（或称泡状沸腾）。核态沸腾有温压小、传热强的特点，所以一般工业应用都设计在这个范围。核态沸腾区的终点为图7-14中热流密度的峰值点。 （3）过渡沸腾区（transition boiling）：从峰值点进一步提高Δt，传热规律出现异乎寻常的变化。热流密度不仅不随Δt的升高而提高，反而越来越降低。这是因为汽泡汇聚覆盖在加热面上，而蒸汽排除过程越趋恶化。这种情况持续到到达最低热流密度为q min为止。这段沸腾称为过渡沸腾，是很不稳定的过程。 （4）膜态沸腾区（film boiling）：从q min起传热规律再次发生转折。这时加热面上已形成稳定的蒸汽膜层，产生的蒸汽有规则地排离膜层，q随Δt的增加 传热学上机实验报告 二维导热物体温度场的数值模拟 学院：化工学院 姓名：沈佳磊 学号：2110307016 班级：装备11 一、物理问题 有一个用砖砌成的长方形截面的冷空气空道，其截面尺寸如下图所示，假设在垂直于纸面方向上冷空气及砖墙的温度变化很小，可以近似地予以忽略。 在下列两种情况下试计算： （1）砖墙横截面上的温度分布； （2）垂直于纸面方向的每米长度上通过砖墙的导热量。外矩形长为3.0m，宽为2.2m；内矩形长为2.0m，宽为1.2m。 第一种情况：内外壁分别均匀地维持在0℃及30℃； 第二种情况：内外表面均为第三类边界条件，且已知： 外壁：30℃，h1=10W/m2·℃, 内壁：10℃，h2= 4 W/m2·℃ 砖墙的导热系数λ=0.53 W/m·℃ 由于对称性，仅研究1/4部分即可。 二、数学描写 对于二维稳态导热问题，描写物体温度分布的微分方程为拉普拉斯方程 22220t t x x ??+=?? 这是描写实验情景的控制方程。 三、方程离散 用一系列与坐标轴平行的网格线把求解区域划分成许多子区域，以网格线的交点作为确定温度值的空间位置，即节点。每一个节点都可以看成是以它为中心的一个小区域的代表。由于对称性，仅研究1/4部分即可。依照实验时得点划分网格。 建立节点物理量的代数方程 对于内部节点，由?x=?y ，有 ,1,1,,1,11()4m n m n m n m n m n t t t t t +-+-=+++ 由于本实验为恒壁温，不涉及对流，故内角点，边界点代数方程与该式相同。 设立迭代初场，求解代数方程组 图中，除边界上各节点温度为已知且不变外，其余各节点均需建立类似3中的离散方程，构成一个封闭的代数方程组。以t ?=0°C 为场的初始温度，代入方程组迭代，直至相邻两次内外传热值之差小于0.01，认为已达到迭代收敛。 四、编程及结果 program main implicit none
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