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中科院力學所
你想知道沸騰現象的奧秘嗎？
力學園地
2014年06月25日你想知道沸騰現象的奧秘嗎？
——單氣泡池沸騰現象中的局部流動與傳熱數值模擬
張良
看到這篇文章的大標題，你可能會笑起來：沸騰不就是燒開水、煮稀飯、煲老湯時把水燒開的現象嗎？只要水里冒泡了，那就是沸騰，對吧？的確，“沸騰”是指液體內部涌現大量氣泡，整個液體上下翻滾的劇烈汽化現象。但它的應用可只不是簡單地制作食物和、飲料等，還在許多工程技術中，它還被廣泛用來強化傳熱?？吹竭@里，大家可能又會問一個問題：傳熱和強化傳熱是什么意思？不言而喻，“傳熱”就是將熱量從一個地方傳遞到另一個地方。，如果沒有其它的機制的影響（例如，在固體里的傳熱），熱量總是從溫度高的地方傳向溫度低的地方，而這一過程它是靠物質分子的熱運動來實現的。熱量傳遞的速度快慢和溫度差有關，也和材料的性質有關（例如，金屬比木頭傳熱的速度快得多）?？茖W家采用所謂的“熱傳導率”來表征表示物體傳熱快慢的特性。但是，對于流體（包括液體和氣體）來說，它們具有易流動性，因此除了可以像固體一樣將熱量從溫度高處傳遞到溫度低處以外，它們還可以有一種“對流傳熱”的方式，即溫度高的流體微團通過運動到溫度低的地方把熱量傳遞走。這里，對流傳熱又分為“自然對流”和“強迫對流”兩種情況。后者是通過外力作用迫使流體運動起來；前者則是指在沒有外加作用力的條件下，受熱的流體因為受熱溫度增高而、密度減小導致了并進行豎直向上的運動，周圍未受熱的流體則進行而填補，從而形成所形成的循環(huán)流動。房屋里冬天取暖、夏天制冷都是借助了自然對流的道理。那么除了以上幾種方式之外，，還有其它的傳熱方式嗎？這里，我們就來談談沸騰，它可以大大增進熱轉遞的效率，在科學上就被稱作用“強化傳熱”這個術語來描述這件事。相比于自然或強迫的對流傳熱方式，沸騰之所以能成為一種高效的熱傳遞方式，是因為它在較小的溫差條件下能夠利用相變潛熱傳遞更多的能量。如前所述，沸騰現象（參見圖1）在日常生活與各種工程技術領域中都會經常會出現遇到，例如各類工業(yè)蒸發(fā)器、火力發(fā)電廠、原子反應堆、高能密度電子設備、航天飛行器等等。這些在工程應用中，往往要求很高的傳熱效率，尤其是在諸如空間微重力等極端環(huán)境中。那么我們應該下，如何應用沸騰傳熱技術呢？面對這種特殊情況時，因為地面上的實驗數據不再可用，而在空間里大量經驗數據的獲得也不再可行，這樣就使得沸騰傳熱應用這個傳統(tǒng)方法失去了應用依據，因而此，“沸騰強化傳熱”便成為一個熱門的研究課題。研究沸騰傳熱過程的基本特征、機理與規(guī)律，準確預測沸騰傳熱特性及其變化，是保障相關設備和系統(tǒng)研制、性能檢測與實際運控等得以順利進行的前提。然而，由于沸騰是一種極其復雜的過程，涉及極為復雜的多尺度、多相等耦合作用，所以我們需要對沸騰現象的內在機理開展進行更為深入的研究。為什么是沸騰是“多尺度”的現象？因為沸騰過程涉及氣泡核化、三相接觸線強烈蒸發(fā)等過程，而這些過程相對于大體積液體又存在較大的空間尺度差別（10-9~10-6米）。為什么沸騰又是“多相”的現象？因為在一般的對流傳熱問題中，通常只有一種流體（一般稱之為“單相”），而在沸騰過程中一定涉及兩種流體：氣體和液體，有時還會涉及到固體（一般稱之為“兩相”、“三相”或“多相”）。因此，“沸騰強化傳熱”問題也對科學家提出了挑戰(zhàn)。這篇短文將以微重力環(huán)境中的沸騰傳熱過程的研究作為例子來介紹科學家是如何工作的，也讓大家知道沸騰現象涉及了哪些科學奧秘！
圖1 沸騰現象應用
大家知道，地面上重力加速度g0為9.8米/秒2，科學家稱之為“常重力環(huán)境”，并定義此處的重力條件為1g0。但是，到了宇宙空間，地球引力便會減小，相應的重力加速度g'遠低于地面值g（g'=10-5～10-4g），人們稱之為“微重力環(huán)境”。科學家之所以要研究微重力環(huán)境中沸騰傳熱的問題，當然首先是因為航天工程應用的需求——，因為人造衛(wèi)星、空間站都是處在于某種微重力環(huán)境之中下。難道道不能利用人們在地面實驗中獲得的結果不能用于天上嗎？答案是“不行”，因為原因是在地面常重力環(huán)境中，氣、液兩相密度在遠離臨界狀態(tài)時（即存在明顯界面時）往往存在巨大差異，浮力效應極為突出，由此誘導的自然對流將掩蓋氣-液-固三相界面附近的細觀流動與傳熱機制；而在微重力環(huán)境中，浮力作用被極大減弱，相間浮力分層和/或浮力對流現象消失，表面張力將對相關現象起主導作用。圖2示出在不同重力條件下（從1g0到0.04g0）沸騰過程的照片，大家可以看到其中的氣泡形態(tài)差別有多大。所以，用單純依賴地面實驗獲得的經驗或半經驗模型來預測不同重力水平的沸騰傳熱必然存在本質的缺陷。如前所說，航天事業(yè)的發(fā)展客觀上需要微重力沸騰傳熱研究成果的支撐，尤其是先進的航天器在軌流體與熱管理、能源動力、環(huán)境控制與生命保障等方面的技術研發(fā)。因此，相關研究一直是世界各航天大國高度重視的課題，為滿足其航天事業(yè)發(fā)展及能源利用需求，各國紛紛投入了大量的資金和人力。我國航天事業(yè)的進一步發(fā)展，也迫切需要對微重力環(huán)境中的沸騰傳熱過程進行深入研究，并深入理解微重力環(huán)境下相關流動與傳熱現象內在的內在特殊規(guī)律。
圖2 不同重力條件下的沸騰過程
另一方面，微重力環(huán)境也為深入揭示相關流動與傳熱現象的內在控制機制提供了極大的便利條件，浮力效應的減弱甚至完全抑制消失，能簡化流動結構，凸現界面熱、質傳遞等基本過程特征，對揭示沸騰過程機理有重要意義。相關研究成果不僅對流體物理學科自身的發(fā)展有重要的學術意義，而且對地面相關技術的改進等也有重要的指導意義。
微重力沸騰傳熱研究作為微重力流體物理中的重要領域，是近年來發(fā)展迅速的一個交叉學科，涉及到流體力學、相變熱力學、傳熱學、多相流熱物理學、統(tǒng)計物理學、物理化學等學科。這里，我們將具體說明核態(tài)池沸騰現象研究是如何進行的以及從中我們從中得到了哪些知識。
“核態(tài)池沸騰”現象是由加熱的固壁表面上大量周期性的氣泡的產生、生長、脫離和上升等運動等組成的一種劇烈蒸發(fā)傳熱及氣液兩相流動的過程，它具有較高的傳熱效率。為了簡化問題的復雜性，本文的關注重點是關注于部分發(fā)展的核態(tài)沸騰現象中的孤立氣泡運動與傳熱過程，如圖3所示。其中，T∞、Tw？和Tsat分別是指液體溫度、壁面溫度和飽和溫度（即對應蒸汽壓力下的飽和溫度）？，而t？為時間。通過計算模擬給出加熱固壁處單氣泡生長過程的完整描述（隨時間t的變化），揭示氣泡周圍的局部流動與傳熱特征，從而認識沸騰傳熱的機理。這里，利用“水平集方法”（Level？Set？Method）捕捉氣（Gas）液（Liquid）固（Solid）三相界面（參見圖4），有效地實現了拓撲結構變化，即界面變形，其中， ， 對應兩個水平集函數， ＝ ＝0表示界面。
圖3 部分發(fā)展的核態(tài)池沸騰現象中孤立氣泡生長周期示意圖
圖4 水平集函數及接觸角定義
在數值模擬中，將計算區(qū)域劃分為“宏觀區(qū)”(Macro？Region)？和“微觀區(qū)”(Micro？Region)兩部分（參見圖5）。微觀區(qū)（Microlayer）又稱“微液區(qū)”或“微楔區(qū)”，即氣泡底部三相線附近的液體區(qū)域，其厚度從不蒸發(fā)液膜區(qū)的只有分子層量級（ 0）到宏觀區(qū)邊緣處的微米量級（h/2），三相接觸線對應微觀區(qū)氣液界面與視圖平面的交線。與氣泡特征尺寸（如氣泡從壁面處脫落時的尺寸）相比，該區(qū)域尺度極小，難以用常規(guī)的空間網格離散方法統(tǒng)一求解，因此需特別處理。宏觀區(qū)則指微觀區(qū)之外的部分，包括液體、氣體和固體區(qū)域，它們分別相對應于圖5中標注為Liquid、Vapor和Wall的區(qū)域，可以用常規(guī)的空間離散網格進行離散和數值求解。
圖5 計算區(qū)域示意圖
圖6為在單個典型周期中，氣泡的拓撲結構（由細實線示出）、溫度場（紅色等溫線表示）及流場（由帶箭頭的矢量表示速度）的演變，從上至下、由左到右表示不同的時間順序。其中，固壁材質為鎳（Ni），其厚度為1mm；壁面過熱度為 T？=T-Tsat=？6.17K，計算區(qū)域由無量綱長度來標度，特征長度為Laplace長度L， 、 分別表示表面張力系數和密度，氣相與液相用下標l，v表示。
圖6 單個典型周期氣泡拓撲結構、溫度場及流場演變
圖7為在單個典型周期中，加熱固壁內不同位置處的溫度T及對應熱流密度q隨時間的變化而變化的過程，其中（a）、（b）和（c）給出三個固壁內不同深度處的結果。
