液氢池沸腾中气泡行为与传热特性的可视化

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Visualization of bubble behavior and heat transfer characteristics in liquid hydrogen pool boiling

　　

研究人员采用高速成像（High-speed imaging）技术可视化了0.1–0.3 MPa压力下的液氢池沸腾现象。确定了0.1–0.3 MPa下的氢沸腾曲线和临界热流密度（Critical Heat Flux, CHF）。将Rohsenow关联式（Rohsenow correlation）的经验常数校准为0.021，适用于氢-铜组合。流体和固体热传导主导了气泡生长和脱离频率。

**论文解读：液氢池沸腾中气泡行为与传热特性的系统研究**

**研究背景与问题**
在全球碳中和目标推动下，氢能作为清洁能源载体受到广泛关注。液氢因其高能量密度在大规模氢供应链中扮演关键角色，但其沸点（约20.3 K）与临界点（约32.9 K）极低，导致与环境温差巨大，易引发沸腾现象。这种沸腾在储罐、运输和事故场景中可能影响能效和安全，因此需在不同压力和加热条件下深入理解液氢沸腾机理。现有研究虽已报道液氢池沸腾的传热曲线及临界热流密度（CHF），但缺乏对加热表面气泡行为的直接可视化，尤其在不同压力下的气泡动力学数据尚不充分。为此，本研究旨在通过实验系统测量0.1–0.3 MPa绝对压力下的传热特性，并利用高速成像首次捕捉液氢池沸腾气泡的实时图像，以揭示压力对传热和气泡行为的影响。

**研究内容与结论**
研究人员设计并搭建了配备可视化窗口的液氢池沸腾实验装置，使用氧-free铜（JIS C1020）作为传热表面，通过节流阀设定0.1、0.2和0.3 MPa的裂纹压力（cracking pressure），在稳态核态沸腾条件下测量热流密度与壁面过热度，并利用高速相机（FASTCAM SA5，5000 fps）记录气泡生长与脱离过程。研究获得了各压力下的沸腾曲线，确定了核态沸腾起始过热度、最大热流密度及对应过热度；通过热传导分析验证了铜块热流计算的准确性；将实验数据与Kutateladze和Rohsenow关联式对比，发现Rohsenow关联式与结果吻合良好，校准得到经验常数C_sf=0.021（液氢-铜组合，精密加工表面，压力范围0.1–0.3 MPa）；可视化结果表明，孤立气泡生长遵循D～t^0.4的时间尺度，脱离频率与直径满足f～D^-2关系，表明气泡生长由气泡周围热边界层的热传导控制，脱离频率由固体内部热传导主导的温度恢复决定。此外，观察到大气压下氢气泡在生长过程中出现垂直振荡，可能与毛细波（capillary wave）生成有关，且低浮力环境下微小气泡可能聚集合并后再宏观脱离。该研究首次提供了液氢池沸腾的实时可视化证据，验证了Rohsenow关联式在液氢中的适用性，为氢能系统的安全设计提供了关键基准数据。论文发表在《International Communications in Heat and Mass Transfer》。

**主要技术方法**
研究采用的关键技术方法包括：（1）实验系统设计：液氢室配备两块蓝宝石（sapphire）可视化窗口，内部安装铜加热块（底部嵌入筒式加热器，侧面包覆聚碳酸酯），通过真空腔体实现多层隔热；压力控制采用裂纹阀（cracking valve）设定0.1、0.2、0.3 MPa，利用压力变送器（KH15-J74）和压力控制器（OmniControl 200）监测；温度测量使用Cernox温度传感器（CX-1070-AA4L，精度±9 mK@20 K）和硅二极管传感器（DT-670-CU-1.4L，精度±12 mK@20 K）。（2）数据采集与处理：使用LabVIEW系统以10 Hz频率采集电压、电流、温度、压力数据，通过电压和电阻计算热流密度，利用线性外推法估算表面温度，饱和温度通过REFPROP ver. 10.0基于实测压力得出。（3）热传导验证：利用COMSOL Multiphysics 6.3进行瞬态热传导分析，设置第三类边界条件，验证一维热传导假设下的热流误差约为3–10%。（4）关联式分析：比较Kutateladze和Rohsenow关联式，通过最小二乘拟合确定Rohsenow常数C_sf。（5）高速成像：使用高速相机（FASTCAM SA5）以5000帧/秒拍摄，通过已知尺寸的窗口边缘标定对焦，气泡直径测量不确定度为0.045 mm。实验在日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）能代试验中心进行，液氢由冷蒸发器供应。

**研究结果**
**3.1 不同压力下液氢沸腾的传热特性**
通过测量0.1、0.2、0.3 MPa绝对压力下的沸腾曲线，发现热流密度随壁面过热度指数增加，加压条件下同等过热度时热流密度更高。0.3 MPa下高热流区域出现近垂直上升，归因于大量蒸汽生成导致腔内压力超过裂纹阀设定值。核态沸腾起始过热度随压力升高而降低（0.1 MPa: 3.10 K; 0.2 MPa: 2.47 K; 0.3 MPa: 1.56 K）。最大热流密度q_max随压力增加（0.1 MPa: 0.127 MW/m²; 0.2 MPa: 0.160 MW/m²; 0.3 MPa: 0.178 MW/m²），对应最大过热度ΔT_sat,max分别为4.60 K、4.05 K、3.37 K。传热系数随热流密度增加而增大，加压条件下系数更高。预冷曲线揭示了膜态沸腾区域，最小热流密度约0.04 MW/m²，对应过热度约10 K。

**3.2 加热块的热传导分析**
通过COMSOL瞬态分析，铜块内温度分布近似均匀，聚碳酸酯中形成轻微温度梯度。加热输入Q_in与传向液氢的热量Q_out之比在沸腾开始后80 s收敛至90%以上，最终达97%，证实一维热传导假设误差约3–10%。

**3.3 核态沸腾传热的无量纲分析**
实验数据与Kutateladze关联式偏差超过20%，而与Rohsenow关联式吻合良好。通过线性拟合确定液氢-铜组合的经验常数C_sf=0.021。该常数亦适用于Shirai等人（2015）的数据（压力最高1 MPa），表明Rohsenow关联式适用于液氢核态沸腾传热，且压力效应被正确描述。

**3.4 液氢沸腾中气泡行为的可视化**
高速成像首次捕获了液氢核态沸腾（图11）和膜态沸腾（图12）的实时图像。孤立气泡在低热流下出现，球形生长，生长曲线符合D=0.23t^0.4，与热传导控制的生长时间尺度一致，表明微层蒸发影响较小。脱离频率与直径关系为f∝D^-2，说明固体热传导主导温度恢复过程。与水和FC-72相比，氢气泡生长更垂直，脱离直径约0.79 mm，脱离时间约18 ms。尽管基于热力学的最小气泡半径（ΔT_sat=3 K时临界半径43.7 nm）远小于水，但实际观察到的脱离直径与常温流体相当（数毫米），归因于氢的低浮力导致气泡需克服表面张力而附着生长。大气压下观察到气泡垂直振荡，可能与毛细波有关，暗示微小气泡可能间歇供应并在宏观脱离前聚集合并。

**讨论与结论**
结论部分总结如下：
1. 确定了0.1–0.3 MPa下液氢的沸腾曲线、核态沸腾起始过热度及临界热流密度，并利用预冷温度变化数据评估了0.1 MPa下的膜态沸腾曲线。
2. 液氢池沸腾传热系数与Rohsenow关联式吻合良好，经验常数C_sf=0.021适用于0.1–0.3 MPa下的液氢-铜精密加工表面，该关联式与Shirai等人（2015）在1 MPa以下的数据一致。
3. 高速可视化表明孤立液氢气泡生长受气泡周围热边界层热传导控制（D～t^0.4），脱离频率受固体热传导主导的温度恢复控制（f～D^-2）。
4. 观察到与毛细波相关的垂直振荡，推测在低浮力环境下，微小气泡聚集合并后再发生宏观脱离。