[论文解读] Hybrid phase-change lattice Boltzmann simulation of the bubble nucleation and different boiling regimes of conjugate boiling heat transfer

Wandong Zhao, Jianhan Liang+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2019

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 67被引用 4

一句话总结

本研究开发了一种混合相变格子Boltzmann方法（LBM），用于模拟共轭传热系统中的气泡成核及多种沸腾状态。结果表明，共轭传热显著改变了沸腾动力学，该模型准确再现了临界热流密度，并捕捉到过渡沸腾期间的波动热流和横向气泡运动等复杂行为。

ABSTRACT

Pool boiling characteristics in two computational domains with and without considering conjugate heat transfer (CHT) were numerically simulated by an improved hybrid pseudopotential phase-change lattice Boltzmann method (LBM). The effects of constant temperature boundary condition (BC) with nucleate spots and fluctuant temperature on the boiling process were investigated in detail. It was found that for the computational domain without CHT, the treatment of constant temperature BC with nucleate spots is quite easier to produce film boiling than the temperature BC with small fluctuation. However, the results would be the opposite for the case with CHT. The entire boiling curve from the onset of nucleate boiling to fully developed film boiling was presented using the computational domain considering CHT and constant temperature BC with nucleate spots. The simulated critical heat flux showed an excellent agreement with the existing analytical solutions. Hence, the current hybrid phase-change LBM was quantitatively verified. The highly fluctuant heat flux occurred in the CHF and transition boiling as well as the transverse movement of the bubbles had been observed. Furthermore, the thermal responses inside the heater and heat transfer mechanism in different boiling patterns were also comprehensively studied.

研究动机与目标

• 研究共轭传热（CHT）对池沸腾系统中沸腾传热机理的影响。
• 考察不同温度边界条件——恒定温度边界条件（含成核点）与存在微小温度波动的边界条件——对沸腾状态起始与演进的影响。
• 通过与解析解对比，验证混合相变LBM模型在临界热流密度（CHF）预测上的准确性。
• 分析加热器内部的热响应以及在核态、过渡态和膜态沸腾状态下的传热机制。

提出的方法

• 采用改进的混合伪势相变格子Boltzmann方法（LBM）模拟沸腾系统中的多相流与相变过程。
• 该方法将流体动力学的格子Boltzmann方程与伪势模型耦合，以捕捉相变过程与界面动力学。
• 通过将流体区域与固体加热器区域耦合，对共轭传热进行建模，考虑固体中的热阻与温度分布。
• 对比两种计算区域：一种包含CHT，另一种不包含CHT，在相同边界条件下隔离CHT的影响。
• 施加恒定温度边界条件（含成核点）与存在微小热波动的边界条件，评估其对沸腾状态转变的影响。
• 通过将模拟得到的临界热流密度（CHF）与解析解对比，验证模型的定量准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 共轭传热如何影响从核态沸腾到膜态沸腾的转变？
• RQ2 温度边界条件类型——恒定温度边界条件（含成核点）与波动边界条件——对沸腾状态发展有何影响？
• RQ3 该混合相变LBM能否准确预测池沸腾中的临界热流密度？
• RQ4 在不同沸腾状态下，加热器内部的热响应与热流波动如何变化？
• RQ5 在过渡沸腾期间，气泡的动态行为（如横向运动）是怎样的？

主要发现

• 与非CHT模拟中观察到的趋势相反，CHT的引入在恒定温度边界条件（含成核点）下抑制了膜态沸腾。
• 在恒定温度边界条件与成核点条件下，成功模拟了从核态沸腾起始到完全发展膜态沸腾的完整沸腾曲线。
• 模拟得到的临界热流密度（CHF）与解析解高度一致，验证了混合相变LBM的定量准确性。
• 在过渡沸腾阶段及临界热流密度附近，观察到强烈的热流波动与横向气泡运动，表明存在显著的非定常热-流体耦合。
• 加热器内部的热响应揭示了明显的温度梯度与时间依赖性变化，尤其在临界热流密度附近，凸显了固相热惯性的重要性。
• 本研究证明，CHT从根本上改变了沸腾动力学，特别是在过渡沸腾与膜态沸腾阶段，通过改变热流密度分布与气泡脱离行为产生影响。