CN113267152A - 一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置及方法，本发明的实验装置由实验段、铜块以及加热棒组成；所述实验段设置在所述铜块的上表面，所述加热棒设置在所述铜块的下表面，以所述铜块和所述加热棒组合的方式对所述实验段进行加热；所述实验段上设置多个不同特征尺寸的核化区域。本发明利用在同一特征表面上精确加工不同特征尺寸的核化区域，有效避免了粗糙度表征汽化核心半径带来的巨大偏差，从而精确测量壁面活化核心的特征尺寸，对沸腾传热和两相流的相关方向的发展具有重要的意义。

Description

一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置及方法
技术领域
本发明属于精细化技术领域，具体涉及一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置及方法。
背景技术
沸腾作为重要的热质传递形式，广泛存在于诸多换热系统中。沸腾过程中，冷却工质又液体转变为气态，伴随着相态的转变，巨大的相变潜热使得沸腾的换热系数在相同条件下远大于单相对流换热和导热。因此，利用沸腾实现热质传递是重要的传热手段之一。随着科技的发展对机理探索的需求进一步提高，计算流体动力学逐渐从单相的传热计算发展到了两相沸腾的计算阶段。对于沸腾换热而言，准确获得两相流模型对于准确研究和认识传热面及流道中相态分布以及传热特性具有重要意义。两相流模型中，壁面核化点密度模型是最为重要的模型之一，直接关系到初始相界面的计算，从而影响整个两相计算分析的准确性。
然而，相变的发生主要依赖于壁面局部区域的能量聚集导致局部凹穴流体温度过热从而带来相变，壁面的核化点的尺寸和对应的过热度等热工参数以及表面张力、化学键能等物性参数密切相关，只有在适宜的核化点在相应的条件下方能成核(核化)，这一类核化点可称之为活化核心。国内外学者在研究壁面核化时，由于加工技术和检测手段的制约等因素，以多以某一特定表面进行实验观测，再辅以电子显微镜获得相应的表面粗糙度，并以该粗糙度表征核化点的半径和相应的壁面核化点密度。实际上，这一类研究中由于壁面凹穴尺寸变化较大，粗糙度只是一个统计参数，以粗糙度表征核化点半径的方式具有很大的偏差，从而导致这一关键的核心特征尺寸一直未能精确表征，制约了两相流学科的发展。
发明内容
为了解决现有活化核心特征参数测量精度较差的问题，本发明提供了一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置。本发明利用在同一特征表面上精确加工不同特征尺寸的核化区域，有效避免了粗糙度表征汽化核心半径带来的巨大偏差，从而精确测量壁面活化核心的特征尺寸，对沸腾传热和两相流的相关方向的发展具有重要的意义。
本发明通过下述技术方案实现：
一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，由实验段、铜块以及加热棒组成；
所述实验段设置在所述铜块的上表面，所述加热棒设置在所述铜块的下表面，以所述铜块和所述加热棒组合的方式对所述实验段进行加热；
所述实验段上设置多个不同特征尺寸的核化区域。
优选的，本发明的实验段的下表面和所述铜块的上表面贴合设置。
优选的，本发明的实验段和铜块均为圆柱体结构，所述实验段和铜块的截面大小相同。
优选的，本发明的实验段的下表面和所述铜块的上表面在装配之前，对接处的两个面分别进行研磨抛光。
优选的，本发明的实验段在加工核化区域之前需对其加工表面进行研磨抛光，使得该表面拍光之后的粗糙度等级至少达到Ra 0.012。
优选的，本发明采用飞秒激光技术对核化区域进行精细化加工，多个核化区域的特征尺寸跨度为0.1um～100um。
优选的，本发明的实验装置工作条件为：水介质，工作压力为常压～1MPa，工作温度为常温～240℃。
另一方面，本发明还提出了一种基于本发明所述的精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1，铜块均匀性设计验算；
步骤S2，核化区域特征尺寸预计算；
步骤S3，进行不同壁面特征尺寸核化特征参数测量。
优选的，本发明的步骤S1利用CFD方法对带有加热棒的铜块上表面温度进行计算，在最大功率水平下，铜块上表面温度最大值与最小值之差不超过0.5℃，则铜块均匀性设计合格。
优选的，本发明的预计算方法采用：
Figure BDA0003066390880000031
式中，σ为表面张力，vfg为汽液两相比容之差。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明利用微纳米加工技术，在同一特征表面上精确加工不同特征尺寸的核化区域，而每一个核化区域的壁面特征尺寸精确可控，辅以可视化技术手段，有效避免了粗糙度表征汽化核心半径带来的巨大偏差，从而精确测量壁面活化核心的特征尺寸。
2、本发明具备良好的拓展性，满足壁面活化核心特征参数精确测量的要求。
3、本发明可用于壁面活化核心现象学及定量实验的精确测量，可对沸腾传热和两相流的相关方向的发展提供借鉴。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明加工前原始表面几何特征示意图。
图3为本发明精细化加工后的表面几何特征示意图。
图4为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提出了一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，利用微纳米加工技术，在同一特征表面上精确加工不同特征尺寸的核化区域，而每一个核化区域的壁面特征尺寸精确可控，辅以可视化技术手段，有效避免了粗糙度表征汽化核心半径带来的巨大偏差，从而精确测量壁面活化核心的特征参数。
具体如图1所示，本实施例的实验装置由实验段、铜块以及电加热棒组成；实验段设置在铜块的上端面(上表面)，电加热棒设置在铜块的下端面(下表面)。
本实施例的实验段和铜块均为圆柱体结构，实验段和铜块的截面大小相同，实验段的端面与铜块的端面相贴合，且为了尽可能减小实验段和铜块之间的接触电阻，在装配之前需对接触的两个面分别进行研磨抛光，使得实验段和铜块之间能很好的贴合。
本实施例在铜块的另一端均匀设置多个电加热棒，以铜块和电加热棒组合的方式对实验段进行加热可以有效展平加热功率，使得整个实验段的热流密度、过热度尽可能均匀。
本实施例的实验段的外表面(即不与铜块相接触的表面)加工多个不同特征尺寸的核化区域。为避免非核化的区域先于核化区域发生沸腾而影响实验检测，在加工核化区域之前需对实验段外表面进行研磨抛光，抛光获得的粗糙度等级至少达到Ra0.012；之后，利用飞秒激光技术对核化区域进行精细化加工，获得规整的统一尺寸的表面结构，其加工前原始表面几何特征如图2所示，精细化加工后的表面几何特征如图3所示。
本实施例的实验装置工作条件为：水介质，工作压力为常压～1MPa，工作温度为常温～240℃。
本实施例利用飞秒激光加工技术，在同一特征表面上精确加工多个不同特征尺寸的核化区域，而每一个核化区域的壁面特征尺寸精确可控，辅以可视化技术手段，有效避免了粗糙度表征汽化核心半径带来的巨大偏差，从而精确测量壁面活化核心的特征尺寸。
实施例2
本实施例提出了一种基于上述实施例提出的实验装置的实验方法，具体如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1，铜块均匀性设计验算
利用CFD方法对带有电加热棒的铜块上表面温度进行计算，在最大的功率水平下，铜块上表面温度最大值与最小值之差不超过0.5℃为合格。
步骤S2，核化区域特征尺寸预计算
在进行活化核心特征尺寸精确测量之前，需对该特征尺寸进行预计算，预计算方法可采用：
Figure BDA0003066390880000071
式中，σ为表面张力，vfg为汽液两相比容之差，rc为核心特征尺寸，pf为液相压力，hfg为汽化潜热，Tsat为饱和温度，kf为液相导热系数，q为当地热流密度。
本实施例在一个实验段上布置多个核化区域，其表面特征尺寸跨度为0.1um～100um。
步骤S3，进行不同壁面特征尺寸核化特征参数测量。
通过准稳态的台阶式提升加热功率，获得不同壁面温度过热条件下不同核化区域的气泡动力学现象学数据和定量数据。实验过程中，可能出现在某一热工参数条件下，不同核化区域均出现核化，但核化的密度以及气泡脱离直径和频率等参数不同，实验过程中需要密切关注类似现象，作为最终不同壁面特征尺寸下沸腾核化特征的重要数据。
本实施例基于上述实施例1提出的实验装置，采用上述方法精确测量壁面活化核心的特征参数，可以凝练出壁面核化特征尺寸及核化点密度的关键模型，为沸腾传热和汽液两相流提供关键的精确模型，直接关系到初始相界面的计算，从而提高整个两相计算分析的准确性。对于沸腾换热和汽液两相流学科发展以及相关邻域的技术突破具有重要意义。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，其特征在于，由实验段、铜块以及加热棒组成；
所述实验段设置在所述铜块的上表面，所述加热棒设置在所述铜块的下表面，以所述铜块和所述加热棒组合的方式对所述实验段进行加热；
所述实验段上设置多个不同特征尺寸的核化区域。
2.根据权利要求1所述的一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，其特征在于，所述实验段的下表面和所述铜块的上表面贴合设置。
3.根据权利要求2所述的一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，其特征在于，所述实验段和铜块均为圆柱体结构，所述实验段和铜块的截面大小相同。
4.根据权利要求2所述的一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，其特征在于，所述实验段的下表面和所述铜块的上表面在装配之前，对接处的两个面分别进行研磨抛光。
5.根据权利要求1所述的一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，其特征在于，所述实验段在加工核化区域之前需对其加工表面进行研磨抛光，使得该表面拍光之后的粗糙度等级至少达到Ra 0.012。
6.根据权利要求1所述的一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，其特征在于，采用飞秒激光技术对核化区域进行精细化加工，多个核化区域的特征尺寸跨度为0.1um～100um。
7.根据权利要求1所述的一种精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置，其特征在于，所述实验装置工作条件为：水介质，工作压力为常压～1MPa，工作温度为常温～240℃。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的精确测量壁面活化核心特征参数的实验装置的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，铜块均匀性设计验算；
步骤S2，核化区域特征尺寸预计算；
步骤S3，进行不同壁面特征尺寸核化特征参数测量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S1利用CFD方法对带有加热棒的铜块上表面温度进行计算，在最大功率水平下，铜块上表面温度最大值与最小值之差不超过0.5℃，则铜块均匀性设计合格。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预计算方法采用：
Figure FDA0003066390870000021
式中，σ为表面张力，vfg为汽液两相比容之差。
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