《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Three-dimensional numerical simulation of successive bubble condensation in mini-channels with VOSET method
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摘要本文基于能量跳跃模型，采用VOSET方法研究了三维微通道中连续气泡的冷凝动力学与传热特性，系统考察了液体过冷度、入口速度分布、初始气泡直径以及气泡释放间隔的影响。连续气泡冷凝过程由水力增强、尾流弱化和合并约束三者之间的竞争所主导。增大流体过冷度可增强界面冷凝驱动力，加速相
摘要
本文基于能量跳跃模型，采用VOSET方法研究了三维微通道中连续气泡的冷凝动力学与传热特性，系统考察了液体过冷度、入口速度分布、初始气泡直径以及气泡释放间隔的影响。连续气泡冷凝过程由水力增强、尾流弱化和合并约束三者之间的竞争所主导。增大流体过冷度可增强界面冷凝驱动力，加速相对于尾流引起的气泡追赶效应的界面后退，从而增大气泡间距并减少反复合并。在足够高的过冷度下，累积平均体积冷凝速率对液体过冷度进一步增大的敏感性趋于降低。不均匀的入口速度分布会产生非对称水力，导致气泡横向迁移并使主要传质位置向迎风侧偏移。然而，相对于均匀入口情形，线性和正弦速度分布下总气泡体积的平均相对偏差分别仅为0.59%和3.07%。随着初始气泡直径增大，由于流动扰动增强，单位面积传质率初始阶段有所增加；然而，反复合并和通道约束效应在后期抑制了传质。较长的气泡释放间隔可增大初始气泡间距，削弱尾流相互作用和合并效应，促进气泡近乎独立地冷凝。
引言
气泡在过冷液体中的冷凝发生在过冷沸腾系统和直接接触冷凝系统中，在紧凑式换热器、化工过程和热管理领域具有重要应用[1]、[2]。在气泡冷凝过程中，气泡的体积、形状、速度和界面面积同时演化，而释放的潜热则持续改变周围流体的温度场和速度场。因此，气泡冷凝过程受气泡动力学、界面变形以及局部热工水动力条件（包括气泡尺寸和形状[3]、[4]、[5]、[6]）的耦合作用所支配。准确预测该过程对于评估冷凝传热性能和相关系统的热可靠性至关重要。
大量实验研究致力于单个冷凝气泡的动力学行为与传热特性[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。可视化技术已被广泛应用于表征不同液体过冷度下的气泡变形、溃灭、运动和寿命。数值方法，包括移动粒子半隐式法（MPS）、流体体积法（VOF）以及水平集-流体体积耦合法（CLSVOF）[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]，能够更细致地观测气泡冷凝过程，也被应用于更详细地求解单个冷凝气泡的瞬态演化。
多个气泡在冷凝过程中经历复杂的相互作用。在固定气泡构型下对规定多气泡冷凝进行研究，对于识别相邻气泡之间的相互作用以及为实际冷凝系统开发预测模型具有重要意义。Bahreini等人[20]采用二维CLSVOF模型研究了双气泡冷凝，发现当气泡间距超过约两个气泡直径时，相互作用显著减弱。相比之下，Samkhaniani和Ansari[21]发现，当尾随气泡穿过上游冷凝气泡产生的受热热尾流时，其寿命可能延长。界面解析模拟为这些相互作用提供了初步见解。Liu等人[22]随后采用三维VOF模型研究了几列对齐气泡的冷凝动力学，表明相邻气泡产生的流动扰动增强了下方气泡的冷凝速率，超过临界间距后相互作用效应可忽略不计。这些研究表明，多气泡冷凝受水动力和热相互作用之间竞争的支配。
除了详细的气泡相互作用数值研究外，还有学者提出工程关联式来描述多气泡效应对冷凝传热的影响。Zeitoun等人[23]对过冷水中蒸汽气泡冷凝进行了实验研究，提出了一种将局部空隙率作为附加参数的传热关联式，用以表征多气泡界面传热增强效应。然而，该关联式忽略了普朗特数等热物性的影响，限制了其在不同工况下的适用性。此后，Inaba等人[24]进一步发展了一种考虑气泡数分布的过冷流动沸腾冷凝传热关联式，该模型引入了局部空隙率和界面面积修正因子，以考虑气泡变形以及多气泡系统中有效气液接触面积增加的影响。然而，空隙率和界面面积的确定不够准确，限制了其在复杂气泡冷凝中的应用。
在上述研究中，气泡被赋予规定的初始位置或同时生成，其相互作用主要以气泡间距等空间参数来描述。在实际冷凝系统中，气泡从核化点释放，上游气泡在下游气泡到达之前即可改变局部流场和温度场。Zhang等人[25]观察到单微通道冷凝过程中周期性气泡排放和有序气泡列的形成。增大冷却强度可减小气泡尺寸并提高气泡生成频率，表明释放间隔影响气泡列的演化。然而，由于排出气泡的停留时间远短于完全冷凝时间，该研究侧重于气泡的生成与输运，而非连续冷凝相互作用。Majumder和Das[26]研究了不互溶液体体系中直接接触冷凝过程中连续的二组分气泡，观察到间歇性冒泡与气泡合并之间的转变。其研究对象为二组分气泡，而非过冷单组分液体中的蒸汽冷凝，相关传热机理仍有待阐明。
尽管先前研究已阐明了气泡相互作用和间距对冷凝的影响，但连续释放气泡的机理仍理解不足。特别是，上游气泡产生的热尾流和水力扰动如何影响下游气泡的界面传质尚不清楚。本文基于VOSET方法和能量跳跃相变模型，建立了三维模型以研究微通道中连续释放的气泡。该方法在相互作用和冷凝过程中追踪复杂界面变形，同时保持质量守恒。系统研究了流体过冷度、入口速度分布、初始气泡直径和气泡释放间隔的影响，重点关注气泡动力学、合并以及局部界面传质分布。本文旨在研究连续气泡冷凝过程中水力扰动增强与热尾流弱化之间的关系。研究结果为改进预测模型以及直接接触冷凝和过冷沸腾系统的设计提供了机理层面的见解。
章节片段
物理模型
图1展示了气泡上升过程中冷凝过程的示意图。初始将饱和蒸汽气泡置于尺寸为3 mm（X）× 3 mm（Y）× 20 mm（Z）的矩形微通道中。初始速度设为u = 0.1 m/s，方向向上（竖直方向），重力方向向下。气泡中心与通道底部之间的初始距离为3 mm。气泡与周围流体之间存在温差，导致气泡
结果与讨论
通过数值模拟研究了充满过冷水的三维垂直微通道中连续上升气泡的行为。本研究考察了不同初始条件（包括过冷度、入口速度分布、初始气泡直径和气泡释放间隔）对气泡冷凝过程中相互作用的影响。特别关注气泡相互作用影响气泡动力学和传质的机理
结论
本研究基于VOSET方法建立了三维数值模型，用于研究微通道中连续蒸汽气泡的冷凝动力学和界面传质。本工作揭示了所研究条件下连续气泡之间的相互作用机理，并阐明了气泡相互作用如何影响冷凝传热和传质。主要结论总结如下：
作者贡献声明
李昆：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。陈宇杰：撰写——审阅与编辑，软件，资源，经费获取。李浩阳：撰写——审阅与编辑，验证。李邦明：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理，经费获取。张小宇：撰写——审阅与编辑，经费获取。黄崇海：调查研究，经费获取。梅正学：验证，调查研究。龚建华：撰写——审阅与编辑，
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作受国家自然科学基金委员会（编号：52536006）和海洋热能动力国家重点实验室开放基金（编号：TPL2024A05）资助。
李昆|陈宇杰|李浩阳|李邦明|张小宇|黄崇海|梅正学|龚建华|孙东亮|龚良
