中文摘要：

沸腾传热现象广泛存在于反应堆热工、航天、能源与动力以及石油化工等工程领域。气泡生长过程是确定沸腾传热性能的关键因素，而加热壁面上成核气泡在各种力以及热质传输作用下的相变界面特性决定了气泡生长过程。由于气泡生长过程中尺度变化范围大（0.1μm~1mm数量级），不便于用单一的尺度模型来描述其相变界面特性。本项目提出建立沸腾气泡生长过程的分时段、多尺度整体数值分析模型，模拟气泡成核至气泡脱离的整个生长过程，并进行窄缝内流动沸腾气泡生长可视化实验，对多尺度模型及相应的计算方法进行验证。在此基础上，对沸腾气泡生长过程相变界面传输特性进行研究，揭示其对加热壁面上沸腾传热的影响机理及规律。本项目研究不仅建立了整个气泡生长过程的完整理论模型以及模拟计算方法，系统、深入揭示沸腾气泡相变界面传输特性及变化规律，而且为临界热流密度的准确预测奠定了基础，具有广泛而重要的工程实际意义和学术价值。

结论摘要：

加热壁面上成核气泡在各种力以及热质传输作用下的相变界面特性决定了气泡生长过程。研究气泡成核、长大及脱离的整个生长过程，以及伴随该过程的对流和微尺度传输现象，在核能、航天、材料等技术领域以及能源、动力、石油、化工、冶金等工业中具有重要的研究意义。目前，人们对于这一系列复杂科学问题的认识和研究还远远不够。无论是采用理论分析、传统的场模拟方法、还是实验方法开展研究，都具有相当的难度。因而需要开拓新的研究思路。 考虑到作为介观尺度方法之一的格子Boltzmann 方法在处理微观相互作用明显系统时所具有的独特优点，本项目旨在进行基于格子Boltzmann 方法的气液相变及多相流动问题的数值模拟研究，结合宏观CFD模拟方法，对气泡生长过程及多相流动中蕴含的科学问题进行深入探讨。目前项目组在前人的研究基础上，考虑外力及流体壁面间的作用力，耦合相变，进一步改进体积力的求取方法，运用精确差分方法，提出了两种改进模型。利用模型考察了重力加速度及接触角对池沸腾中气泡生长过程的影响、水平方向加速度对流动沸腾中气泡生长过程的影响，以及不同流体与壁面间的作用强度对凹坑气泡成核过程的影响，详细地再现了气泡成核、长大及脱离过程，对相变及气泡形变等物理驱动机制进行了分析。对状态方程中参数的选取对模型的影响进行了探讨。提出了一种简单的修正状态方程参数的方法，引入常数k，构造出一种表面张力可调的格子Boltzmann模型，并讨论了k值的选取对模型模拟界面现象及相变过程的影响。运用自由能模型，结合相变过程，对定壁面温度下气泡生长过程进行了数值模拟。计算结果能准确描述气泡生长过程的各个阶段；计算所得温度场给出了气泡生长及脱离对流体和壁面温度的影响。完成了气泡动力学整体耦合计算模型和计算方案，经过数十次的耦合计算尝试，发现CFD方法处于宏观尺度范围，处理的网格尺寸以及气泡直径在大于10-6m的范围，LBM模拟的气泡直径在小于10-6m范围，超过各自范围时，数值稳定性和收敛性变差。按照目前的数值计算技术，不能实现两种尺度的衔接和跨越。进一步的工作期待LBM模拟的气泡尺度范围有所突破。建立了可视化流动沸腾实验台，进行气泡脱离直径和脱离频率的可视化实验，并考察不同加热密度下工质（水）压力、流速对沸腾换热及气泡脱离直径和脱离频率的影响。