基于 VOSET 方法的微通道内连续气泡冷凝三维数值模拟

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Three-dimensional numerical simulation of successive bubble condensation in mini-channels with VOSET method

　　

摘要

本文基于能量跳跃模型，应用VOSET方法研究了三维微通道中连续气泡的凝结动力学和传热特性。系统地考察了液体过冷度、入口速度分布、初始气泡直径和气泡释放间隔的影响。连续气泡凝结受流体动力学增强、尾流弱化和合并限制之间的竞争支配。增加流体过冷度会增强界面凝结驱动力，并加速界面相对于尾流诱导的气泡追赶的退缩，从而增加气泡间距并减少重复合并。在足够高的过冷度下，累积平均体积凝结率对液体过冷度的进一步增加表现出递减的敏感性。不均匀的入口速度分布产生不对称的流体动力学力，导致横向迁移并将主要传质位置移向上风侧。然而，与均匀入口情况相比，线性和正弦速度分布的总气泡体积平均相对偏差仅为0.59%和3.07%。随着初始气泡直径的增加，由于流场扰动的增强，单位面积的传质率最初增加。然而，后期的重复合并和通道限制抑制了传质。较长的气泡释放间隔增加了初始气泡间距，削弱了尾流相互作用和合并，促进了近乎独立的气泡凝结。

引言

在过冷液体中的气泡凝结发生在过冷沸腾和直接接触凝结系统中，在紧凑型换热器、化学加工和热管理中具有重要应用[1]，[2]。在气泡凝结过程中，气泡体积、形状、速度和界面面积同时演化，而释放的潜热不断改变周围的温度和流场。因此，气泡凝结受气泡动力学、界面变形和局部热流体力学条件的耦合效应支配，包括气泡尺寸和形状[3]，[4]，[5]，[6]。因此，准确预测这一过程对于评估凝结传热性能和相关系统的热可靠性至关重要。

大量的实验工作致力于单个凝结气泡的动力学和传热[7]，[8]，[9]，[10]，[11]，[12]。可视化技术被广泛用于表征不同过冷度水平下气泡的变形、溃灭、运动和寿命。数值方法，包括移动粒子半隐式（MPS）方法、流体体积（VOF）方法以及耦合水平集与流体体积（CLSVOF）方法[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，这些方法能够实现更详细的气泡凝结观察，也被应用于更详细地解析单个凝结气泡的瞬态演化。

多个气泡在凝结过程中经历复杂的相互作用。对固定气泡构型下预定多气泡凝结的研究对于识别相邻气泡之间的相互作用以及为实际凝结系统开发预测模型至关重要。Bahreini等人[20]使用二维CLSVOF模型研究了双气泡凝结，并报告当气泡间距超过约两个气泡直径时，相互作用大大减弱。相比之下，Samkhaniani和Ansari[21]发现，当尾随气泡穿过上游凝结气泡产生的加热热尾流时，其寿命可能增加。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模型研究了几枚对齐气泡的凝结动力学。他们证明，相邻气泡产生的流场扰动增强了下部气泡的凝结率。超过临界间距后，相互作用效应变得可以忽略不计。这些研究表明，多气泡凝结受流体动力学和热相互作用的竞争控制。

除了对气泡相互作用的详细数值研究外，还提出了工程关联式来描述多气泡对凝结传热的效应。Zeitoun等人[23]对过冷水中的蒸汽气泡凝结进行了实验研究，并提出了一种传热关联式，将局部空隙率作为附加参数来表征多气泡界面传热增强。然而，它忽略了普朗特数等热物性的影响，这限制了其在不同工况下的适用性。随后，Inaba等人[24]进一步考虑了气泡数量分布，开发了过冷流动沸腾中凝结传热的关联式。他们的模型引入了局部空隙率和界面面积修正因子，以考虑气泡变形和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不准确确定限制了其在复杂气泡凝结中的适用性。

在上述研究中，气泡被分配了预定的初始位置或同时生成，它们的相互作用主要以气泡间距等空间参数来描述。在实际凝结系统中，气泡从成核点释放，因此上游气泡可以在下游气泡到达之前改变局部流场和温度场。Zhang等人[25]观察到在单个微通道中凝结时周期性气泡发射和有序气泡列的形成。增加冷却强度会减小气泡尺寸并增加气泡生成频率，表明释放间隔影响气泡列的演化。然而，由于发射气泡的停留时间远小于完全凝结时间，该研究侧重于气泡的生成和输运，而非连续凝结相互作用。Majumder和Das[26]研究了不相溶液体系统中直接接触凝结时连续的两组分气泡，并观察到间歇性冒泡和气泡合并之间的转变。他们的研究针对的是两组分气泡，而非过冷单组分液体中的蒸汽凝结，相关的传热机制仍不清楚。

尽管先前的研究已经确定了气泡相互作用和间距对凝结的影响，但对连续释放气泡的机制理解仍然不足。特别是，上游气泡产生的热尾流和流体动力学扰动如何影响下游气泡的界面传质仍不清楚。在本文中，基于VOSET方法和能量跳跃相变模型开发了三维模型，以研究微通道中连续释放的气泡。该方法在相互作用和凝结过程中跟踪复杂的界面变形，同时保持质量守恒。系统地考察了流体过冷度、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、合并和局部界面传质分布。本研究的目标是探究连续气泡凝结过程中流体动力学扰动增强与热尾流弱化之间的关系。研究结果为提高预测模型和直接接触凝结及过冷沸腾系统设计提供了机制见解。

章节片段

物理模型

图1展示了气泡上升过程中凝结的示意图。一个饱和蒸汽气泡最初被放置在尺寸为3毫米（X）× 3毫米（Y）× 20毫米（Z）的矩形微通道中。初始速度设定为u = 0.1 m/s，方向向上（垂直），而重力向下作用。初始时通道底部与气泡中心之间的距离为3毫米。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连续气泡在充满过冷水的三维垂直微通道中的上升过程。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，对凝结过程中气泡相互作用的影响。特别关注气泡相互作用影响气泡动力学和传质的机制

结论

在本研究中，基于VOSET方法开发了一个三维数值模型，以研究微通道中连续蒸汽气泡的凝结动力学和界面传质。本工作揭示了在研究条件下连续气泡之间的相互作用机制，并阐明了气泡相互作用如何影响凝结传热和传质。主要结论总结如下：

• (1)
  液体过冷度主导

CRediT作者贡献声明

Kun Li：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿。Yujie Chen：写作 – 审阅与编辑，软件，资源，资金获取。Haoyang Li：写作 – 审阅与编辑，验证。Bangming Li：写作 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取。Xiaoyu Zhang：写作 – 审阅与编辑，资金获取。Chonghai Huang：调查，资金获取。Zhengxue Mei：验证，调查。Junhua Gong：写作 – 审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号 52536006）和海洋热能与动力国家重点实验室开放基金（编号 TPL2024A05）的支持。

Kun Li|Yujie Chen|Haoyang Li|Bangming Li|Xiaoyu Zhang|Chonghai Huang|Zhengxue Mei|Junhua Gong|Dongliang Sun|Liang Gong