相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性的研究

"《相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性的研究》针对相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性开展研究，提出了多组分相变热湍流系统的概念；研究了水密度反转特性对相变过程的影响；揭示了影响冰面形貌特征的物理机制。 "

《相变边界条件下的热湍流动力学和热输运特性的研究》针对自然对流和相变边界条件耦合所涉及的复杂的动力学演化、热量输运和质量在不同相态之间的再分配等具有复杂性和挑战性的问题进行实验、数值模拟和理论建模相结合的研究。所涉及的相变边界条件包括高温系统内的汽-液相变以及低温系统中的液-固相变，对这两个方向的研究均从相变、（湍流）自然对流以及传热三者的耦合作用角度详细展开。
本书首先系统地阐述研究具有相变边界条件的热湍流动力学和热输运特性的背景与意义，凝练科学问题；然后关注在包含汽-液相变的热对流系统内，如何极大限度地增强传热、突破自然对流传热极限；接下来关注在包含液-固相变的热对流系统内，结冰动力学特性的决定因素、决定冰水界面形貌特征的物理机制以及移动液-固界面系统内的多平衡态问题；最后总结全书的研究工作，展示研究的创新点，并对未来可能的相关研究方向进行展望。
本书可供动力工程及工程热物理专业研究生、能源动力专业本科生、相关领域技术人员和科研人员参考和阅读。 

王子奇,2017年9月至2022年6月在清华大学能源与动力工程系攻读动力工程及工程热物理专业博士学位，于2022年6月获得工学博士学位，同年获得“清华大学优秀博士毕业生”称号、清华大学优秀博士学位论文奖、“吴仲华优秀研究生奖”。

第1章 引言 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 4

1.2.1 增强自然对流传热效率 4

1.2.2 结冰或融冰动力学特性、输运特性及固-液界面形貌特征 9

1.3 研究目的与内容 13

1.4 研究方法 15

1.5 本书结构安排 15

第2章 两相“类催化性颗粒”湍流对热对流系统热输运特性的影响 18

2.1 研究目的 18

2.2 两相“类催化性颗粒”湍流系统的形成 19

2.3 两相热对流沸腾-凝结实验平台 20

2.3.1 圆柱形两相热对流沸腾-凝结对流槽 21

2.3.2 扩压容器 24

2.3.3 工作液体 25

2.3.4 控制参数和响应参数 26

2.3.5 温度控制系统 28

2.3.6 热量损失误差分析 29

2.3.7 温度测量与采集系统 30

2.3.8 流场可视化技术 32

2.4 传热载体：“类催化性颗粒” 34

2.5 系统热驱动力强度对系统传热特性的影响 36

2.5.1 两相“类催化性颗粒”湍流系统的传热特性 36

2.5.2 三个特征鲜明的区间 37

2.5.3 蒸气体积分数的计算 40

2.6 传热增强的物理机制 45

2.6.1 两相“类催化性颗粒”湍流系统气泡群运动速度 45

2.6.2 相变潜热对传热增强的贡献 46

2.6.3 气泡流导致的湍流场的掺混效应对传热增强的贡献 47

2.7 主动调控“类催化性颗粒”的运动： 两种运动模式 52

2.7.1 局部掺混：跳跃模式 52

2.7.2 全局掺混：迁移模式 53

2.8 本章小结 54

第3章 不同工况对两相“类催化性颗粒”湍流系统的影响 55

3.1 研究目的 56

3.2 加入不同体积分数的低沸点 HFE-7000 液体 56

3.2.1 两种蒸气泡形成模式 57

3.2.2 加入不同体积分数 HFE-7000 液体的流场特征 59

3.3 加入不同体积分数 HFE-7000 液体的影响 60

3.3.1 传热特性 60

3.3.2 传热特性补偿图 61

3.3.3 蒸气泡体积分数 62

3.4 两相“类催化性颗粒”湍流系统的温度脉动 63

3.5 上板温度和下板温度控制解耦 66

3.5.1 恒定下板（加热）温度改变上板（冷却）温度 66

3.5.2 恒定上板（冷却）温度改变下板（加热）温度 66

3.6 本章小结 67

第4章 自然对流与结冰过程耦合的动力学和流动结构 69

4.1 研究目的 69

4.2 研究方法 71

4.2.1 实验方法：两相热对流结冰-融冰实验平台 72

4.2.2 理论建模 77

4.2.3 直接数值模拟：格子玻尔兹曼算法 84

4.2.4 研究方法小结 90

4.3 实验、数值模拟和理论建模结果对比 91

4.4 冰生长与流体运动的耦合动力学：四种不同的传热与流动耦合机制 92

4.4.1 区间-1（Regime-1） 93

4.4.2 区间-2（Regime-2） 95

4.4.3 区间-3（Regime-3） 95

4.4.4 区间-4（Regime-4） 96

4.4.5 四种不同的传热与流动耦合机制小结 97

4.5 冰层生长的动力学特征 98

4.6 本章小结 100

第5章 水相变平衡状态冰-水界面形貌及其形成的物理机制 102

5.1 研究目的 102

5.2 研究方法 103

5.2.1 实验方法：可调节倾角两相热对流结冰-融冰实验平台 103

5.2.2 直接数值模拟方法 104

5.2.3 建立流体力学理论模型 105

5.3 影响冰形貌的物理机制 1：热浮力驱动力 105

5.3.1 垂直对流实验和直接数值模拟结果对比 106

5.3.2 解释垂直对流中冰的局部形貌特征：边界层模型 108

5.4 影响冰形貌的物理机制 2：温度梯度与重力方向夹角 111

5.4.1 不同系统倾斜角度的实验和直接数值模拟结果对比 111

5.4.2 系统在不同倾角条件下的传热特性 112

5.4.3 不同倾角条件下流动和冰水界面形貌特性 113

5.4.4 解释宽范围系统倾角下的局部冰形貌特征：推广的边界层模型 116

5.4.5 解释冰最厚的位置信息：浮力驱动强度模型 118

5.5 本章小结 120

第6章 自然对流与固-液相变耦合系统多平衡态问题 121

6.1 研究目的 121

6.2 研究方法 122

6.2.1 实验方法 122

6.2.2 直接数值模拟方法 123

6.2.3 理论建模 123

6.3 结冰/融冰的历史效应对冰演化的影响 124

6.3.1 RB对流系统的结冰/融冰过程的冰演化特性 124

6.3.2 VC系统的结冰/融冰过程的冰演化特性 131

6.3.3 双平衡态的物理机制 133

6.4 对流系统的宽高比对结冰平衡态的影响 135

6.4.1 RB对流系统平衡态冰水界面形貌特征 135

6.4.2 VC系统平衡态冰水界面形貌特征 137

6.4.3 边界层模型的进一步推广 139

6.5 本章小结 141

第7章 总结与展望 143

7.1 全书总结 143

7.2 研究创新点 147

7.3 未来展望 148

参考文献 150

在学期间完成的相关学术成果 167

致谢 168