基于格子Boltzmann方法的微尺度下气泡生长及沸腾相变换热研究

Boiling mechanism research at microscal has a great importance on the development of modern energy, cooling, and electronic industry, since the heat transfer can be highly improved by narrowing the channel size. The presented project is aim to study bubble growth and boiling heat transfer characteristics at microscal by simulating these phenomena with improved Lattice Boltzmann method, and comparing the results with corresponding experiments. To improve the accuracy of the model in the simulation, the surperheat required for bubble growth will be considered based on the Bubble dynamics theory. The mechanism of bubble growth and boiling heat transfer at microscale will then be discussed by investigating the influence of surface tension, contact angle, etc. on the fluid flow and heat transfer. Moreover, the present model will be applied in the simulation of boiling heat transfer in microchannel and the results will be compared with corresponding experiments. The project provides theoretical analysis and knowledge on mechanism of boiling heat transfer, which has important significance on the application of pseudo-potential Lattice Boltzmann method and design of microchannel heat exchanger.

减小流道尺寸是提高散热器效率的一个主要途径，因此研究微尺度下沸腾换热机理对现代能源、制冷、电子产业的发展均具有十分重要的意义。本项目拟采用改进的多相流格子Boltzmann方法对气泡生长及沸腾换热现象进行数值模拟，并与实验结果进行对比。针对微尺度下沸腾换热特性，本项目将对现有单组份伪势多相格子Boltzmann相变模型进行改进，引入气泡生长过热度与气泡曲率半径之间的关系，建立更加符合气泡生长动力学理论的沸腾相变模型。 采用改进的格子Boltzmann相变模型，探讨流体表面张力，壁面接触角等性质对微尺度下气泡成核生长及对流换热的影响。进一步模拟不同结构微通道中沸腾换热特性，并与实验结果进行对比。研究成果为多相伪势格子Boltzmann模型的应用和发展以及微通道换热器设计提供参考。

研究微尺度下沸腾换热机理对现代能源、制冷、电子产业的发展均具有十分重要的意义。由于现有沸腾相变数值模型在模拟沸腾过程中气泡成核现象时存在较多假设，与实际沸腾换热机理相差较大。针对这一问题，本项目对现有单组份伪势多相格子Boltzmann相变模型以及壁面气核活化处理方法进行改进，引入气泡生长过热度与气泡曲率半径之间的关系，建立更加符合气泡生长动力学理论的沸腾相变模型。为实现准确的气液相变模拟，本项目首先对LBM沸腾相变模型中的传热模型进行了研究讨论，针对现有LBM传热模型的误差项的问题，提出了采用有限差分法以及有限体积法代替LBM传热模型。研究中发现并提出了传热计算过程中的气液相界面耦合传热问题，进一步提出了改进的LBM传热模型。气核活化处理方面，本项目通过引入核化点润湿性调节的方法，实现了不同气核点活化温度的控制，并在此基础上对二维池沸腾现象进行了模拟，获得了对应的沸腾曲线。相变模型改进方面，本项目在现有单组份伪势模型基础上，通过引入过热度驱动相变的形式，建立了能够独立调节热力学参数，并且反映微尺度下气泡生长过热度变化的新的相变模型，同时提高了相变模型的稳定性。除LBM沸腾相变模型开发以外，本项目也同时开展了基于VOF宏观界面模型的相变传热研究以及池沸腾可视化实验。项目实行过程中，项目组成员与国内外学者积极交流，多次参加国内外相关学术会议，研究成果以论文形式在International Journal of Heat and Mass Transfer、Applied Thermal Engineering等国际知名权威期刊发表。研究成果促进了多相伪势格子Boltzmann模型的应用和发展，提供了新的沸腾换热数值研究方法，并为高效换热器的设计提供参考。