有机工质直接接触式沸腾传热过程中汽泡群混沌行为与强化传热协同机制研究

In the study of direct-contact boiling heat transfer of immiscible continuous phase and the dispersed phase，bubble generation and its behavior description is the key of calculating the direct-contact heat transfer characteristics. Organic fluids’ boiling phase transition heat-transfer process in direct-contact heat exchanger is closely related with the random and irregular bubbles swarm behavior. This project proposes a novel ideas to study the synergetic mechanism of bubbles swarm behavior and heat transfer performance based on the digital image processing technology and computational homology,and chaotic dynamics theory. Contents are as follows:It explores the extraction and characterization methods of the bubble swarm digital feature;It analyzes the heat and mass transfer characteristics of the phase transition region and intersect interface of bubble swarm in the evolution process of bubble swarm multiphase flow patterns; It explores the bubbles swarm chaotic behavior rules and optimization parameters for heat transfer enhancement to improve the performance of heat exchanger,and coupling the relationship between strengthening chaotic behavior of bubble swarm and high heat transfer performance of DCHE,and it constructs a synergy model of bubble swarm chaotic behavior and heat transfer performance.This project takes a new perspective to demonstrate the relation between bubbles swarm behavior and the heat transfer enhancement, it has a higher academic value to promote multiphase boiling phase change heat transfer theory, but also can perfect and enrich the design theory basis of heat transfer enhancement, high efficiency heat exchanger.

在互不相溶的连续相与分散相直接接触沸腾换热研究中，气泡的产生及其行为描述是计算直接接触式换热特性的关键，而直接接触式换热器有机工质沸腾相变传热过程与貌似随机不规则运动的气泡群多相流流型密切相关。本项目提出基于数字图像处理技术、计算同调群方法和混沌理论研究有机工质直接接触式沸腾传热过程中气泡群行为与强化传热协同机制的新思路。研究内容包括：探索气泡群数字特征的提取及表征方法；分析气泡群多相流流型演化过程中气泡群相变区域及其相交界面传热传质特性；探索气泡群混沌行为的演化规律及提高换热器性能的强化换热优化参数，耦合强化气泡群混沌行为与直接接触换热器高换热性能的关系，构建气泡群混沌行为与强化传热协同模型。本项目从新的视角揭示气泡群行为与强化传热的关系，对于促进多相沸腾相变传热的理论有较高的学术价值，同时也可以完善并丰富强化传热、高效换热器的设计理论基础。

直接接触式换热具有结构简单、投资低、传热系数高及可在低温差下驱动运行等优点，在工程中应用日益广泛。而直接接触沸腾换热研究中涉及互不相溶的连续相与分散相，工质汽泡的产生及其行为描述是计算直接接触式换热特性的关键，如何通过有效手段分析液滴群的瞬时状态特征，对直接接触换热过程中流型识别的研究具有积极而现实的意义。本项目基于数字图像处理技术和数学理论，从混沌视角研究直接接触换热过程中液滴的群行为，研究有机工质直接接触式沸腾传热过程中汽泡群行为与强化传热协同机制。主要研究结论包括：通过简单的指标实现了复杂条件下气泡群的量化和表征，提出新的度量气-液直接接触混合过程混合时间的估计方法，为多相流流型识别提供了新的分析思路并指导换热过程的混沌强化；建立了直接接触式蒸汽发生器的数理模型，模拟分析了直接接触式蒸发器的独立变量，如：初始换热温差、工质流率和导热油流率及它们对容积换热系数、总换热体积、工质蒸汽发生量及工质蒸汽出口温度等蒸发器主要换热性能的影响（容积传热系数随着传热时间的增加先呈增大趋势，然后逐渐减小并趋于平稳，但大于传热开始阶段的容积传热系数），同时通过试验手段对所建立的数理模型进行了验证；在工质体积流量和初始传热温差为定值的情况下，为获得较大的容积传热系数，导热油质量流量应控制在较小的范围内；基于计算同调群理论的最新进展，对数字图像处理技术处理后的液滴群图像进行计算，得到了量化液滴群行为贝蒂数随时间演化规律曲线，在此基础上计算得到了量化液滴群混沌行为的数值，无量纲参数对于传热系数的解释能力优于有量纲参数；同时基于贝蒂数时间序列测定的最大李雅普诺夫指数表征了不同混合工况的混沌度，与传热系数具有较高的相关性。本项目通过一个简单的方法实现了复杂条件下液滴群混沌行为和传热的量化、表征和耦合，从新的视角揭示了汽泡群行为与强化传热的关联关系，因此促进了多相沸腾相变传热与高效换热器设计的理论发展。