電場作用下沸騰氣泡行為實驗

楊俠，楊清，吳艷陽，萬攀，劉豐良

（武漢工程大學機電工程學院，湖北 武漢 430073）

電水動力學（electrohydrodynamics，簡稱EHD）是一種新型有效的強化傳熱技術，是通過將電場引入傳熱學領域，利用電場、流場、溫度場場協同作用以達到提高傳熱效率的主動強化傳熱技術。電場強化沸騰傳熱技術具有能耗小、效率高且能適應溫差小和易于實現等優勢，近年來引起了國內學者廣泛的關注[1-3]，對節約能源、研究開發新型強化傳熱技術的推廣及應用具有重要意義。1916年英國學者Chubb[4]最早發現EHD強化沸騰傳熱想象，實驗中在施加電場條件下水蒸發速度相對于未加電場條件下提高了3倍，從此人們開始重視EHD強化傳熱技術。目前研究結論普遍認為[5-7]：EHD強化沸騰傳熱的強化效果明顯，其主要源于電場力對氣泡界液面的作用——電場力對氣泡層產生擾動導致傳熱表面熱阻減小。目前國內外針對電場作用下冷態氣泡行為研究比較多，結論也基本一致，認為外加電場工況后氣泡表面張力不均勻、氣泡沿場強方向拉伸變形、氣泡長徑變大、脫離直徑變小等[8-10]?；陔妶鲎饔孟路序v氣泡行為的研究也是闡釋 EHD強化沸騰傳熱強化機理的關鍵及沸騰氣泡行為的隨機性、過程的復雜性和實驗條件的差異性，國內外對沸騰單氣泡在電場作用下的相關研究及理論分析非常有限。

為此，本文自行了設計了一套可視化 EHD沸騰氣泡行為觀察實驗臺，以水為實驗工質，通過高速攝像機實驗觀察不電場強度下、熱流密度下組合工況下對單個沸騰氣泡的生長過程，并定量地分析電場及熱流密度對單個沸騰氣泡的脫離形態、脫離周期等行為參數的影響去進一步闡釋 EHD強化沸騰傳熱機理。

1 實驗裝置及實驗過程

1.1 實驗裝置

實驗系統如圖1所示，它主要包括沸騰氣泡實驗腔室、高速攝像機、高壓電源、光源、調壓器、采集計算機等組成。沸騰氣泡實驗腔室主要包括四方透明可視化容器和測試部件，其中四方透明可視化容器采用鋼化玻璃制成，尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。測試部件如圖2所示，主要由加熱板、電極和絕熱層組成，加熱板采用高導熱率紫銅加工而成，其中紫銅加熱板離上表面5 mm處埋有最大功率為2000 W的加熱管，紫銅加熱板加熱面尺寸為170 mm×170 mm，并在紫銅加熱面引出接線直接接地形成負極。

圖1 實驗裝置圖

圖2 測試部件圖

為了在水沸騰的過程中能觀察到單個沸騰氣泡，在紫銅板加熱表面開有孔徑約為2 mm形成人工氣穴，人工氣穴具有潔化等優勢且在一定熱流密度工況下人工氣穴優先形成氣泡。為了保證紫銅加熱板產生的熱量最大化的傳給加熱面產生沸騰氣泡，在紫銅加熱板底面及四周通過特殊絕熱材料做成絕熱層，保證紫銅加熱板的熱量盡可能的從加熱面傳遞給實驗工質。距離銅板30 mm處安裝自制的條形電極，電極與銅板之間通過4根環氧樹脂絕緣棒固定，電極引出接線接入高壓電源的正極，高壓電源采用型號為 DW-P503-10ACEC高壓直流穩壓電源，具有輸出電壓可調且范圍寬等特點和內部設有過流保護及短路保護，其輸出電壓范圍為?50～50 kV，輸出電流為2 mA。

加熱面上人工氣穴產生的氣泡生長過程通過采用日本NAC公司生產的型號為hotshot512sc高速攝像機拍攝完成。該型號高速攝像機滿幅分辨率為1280×1024，該分辨率下的拍攝速度為500 fps，綜合整體考慮，本實驗進行實驗拍攝時，設置分辨率為1280×800，采集幀率為1000 fps。加熱面上人工氣穴產生的氣泡的脫離周期及脫離形態通過高速攝像機拍攝的圖片確定，氣泡的上升速度和加速度可通過后處理hotshot512sc軟件對氣泡進行跟蹤得出氣泡在上升過程的速度與加速度。實驗中為了更清晰地通過高速攝像機拍攝氣泡在不同熱流密度、電場強度下的生長過程，在四方透視可視化容器兩角處放有160 W光線光源，使光均勻分布在容器中。

為了調節紫銅加熱板加熱面的熱通量，通過功率為2.5 kW調壓器控制紫銅板的加熱量，紫銅板的加熱熱通量通過調壓器的電壓值及紫銅板中加熱管的電阻值來確定，熱通量的誤差值可估算為1.5%[11]。

1.2 實驗過程

（1）按照實驗系統裝置圖連接各個部件。

（2）打開調壓器，調整紫銅加熱板合適功率后連續加熱0.5 h進行除盡水中的空氣以免干擾判斷是否是水沸騰產生的氣泡。

（3）打開光源、調整高速攝像機光圈及焦距，能清晰可見氣泡的生長及脫離過程，打開預拍狀態。

（4）將調壓器調試不同合適的電壓來調節紫銅加熱板的功率，每次調節持續10 min后且在人工氣穴處產生氣泡為判斷基準，然后通過高速攝像機對氣泡進行跟蹤拍攝。拍攝完成之后將拍攝的圖像儲存在采集計算機中，通過計算對氣泡的行為物理量進行相應的分析和描述。

2 實驗結果分析

2.1 氣泡的生長過程

圖3顯示了當熱流密度為4.62×106W/m2及不同電場強度條件下氣泡的生長過程。

圖3 熱流密度為4.62×106W/m2時氣泡的生長過程圖

由圖3中可見，外加電場后，氣泡沿著場強方向拉伸變形，且隨著電場強度的增加，拉伸變形越明顯。根據氣泡動力學理論可知，外加電場作用后，氣泡不僅受到表面張力、重力、浮力之外作用，還受到電場力作用，電場力在沿著氣泡兩極方向拉伸氣泡，最終導致氣泡在沿著場強方向拉伸變形。

2.2 氣泡脫離時刻的長徑比

定義氣泡脫離時刻的長徑比為 α=d/w如 4所示，d為脫離時刻氣泡的長軸，w為氣泡脫離時刻的短軸。圖5顯示了不同熱流密度條件下氣泡脫離時刻的長徑比與電場強度之間的關系，圖6顯示了不同電場強度條件下氣泡脫離時刻的長徑比與熱流密度之間的關系。

圖4 實驗中氣泡測量尺寸示意圖

圖5 氣泡脫離時長徑比與電場強度之間的關系圖

圖6 氣泡脫離時長徑比與熱流密度之間的關系圖

從圖5和圖6中可知，外加電場工況后，氣泡脫離時的長徑比隨著場強的增大而增大，同時在同一電場強度條件下，氣泡脫離時刻的長徑比也隨著熱流密度的增大而增大。在本實驗條件下，電場對氣泡脫離時刻的長徑比最大能達到1.558。由電動力學理論可知，外加電場后氣泡受到電場力的影響，即影響了氣泡所具有的自由能而改變了氣泡的氣泡脫離時刻的長徑比。熱流密度的改變主要影響了氣泡的膨脹能來改變氣泡脫離時刻的形態。

2.3 電場氣泡的脫離周期的影響

設定氣泡從人工氣穴處產生的一刻為氣泡脫離周期的零時刻，氣泡與人工氣穴處分開的一刻為終止時刻，即從零時刻到終止時刻所需要的時間為氣泡的脫離周期。為了減小實驗儀器粗糙度以及外界條件的干擾等不可避免因素對氣泡脫離周期的影響和高實驗數據的精確性，在每組不同組合工況下選取多個氣泡的脫離周期，并求出它們的平均值近似表示該組合工況下氣泡的脫離周期。見式（1）。

圖7 氣泡脫離周期與電場強度之間的關系圖

圖8 氣泡脫離周期與熱流密度之間的關系圖

從圖7和圖8中可以看出，外加電場工況后氣泡的脫離周期明顯減小，且隨著電場強度和熱流密度的增大而減小。氣泡動力學分析可知，外加電場作用后，氣泡不僅受到張力、浮力作用之外，還受到電場力作用，電場力垂直與池內拉伸氣泡，改變了原來氣泡受力狀態，最終導致氣泡的脫離周期隨著場強的增大而減小。

3 結 論

通過對比不同電場強度、熱流密度下沸騰后的單個氣泡行為特性進行了實驗研究，得出如下結論。

（1）電場和熱流密度對氣泡的脫離形態有一定的影響：氣泡沿著場強方向拉伸變形且隨著電場強度和熱流密度的增大，氣泡的拉伸變形越明顯；氣泡的脫離長徑比隨著場強和熱流密度的增大而增大。

（2）外加電場工況后，氣泡的脫離周期明顯變小且隨著場強的增大而減??；同一電場強度條件下，氣泡的脫離周期也隨著熱流密度的增大而減??；電場對氣泡脫離周期的影響明顯大于熱流密度對氣泡脫離周期的影響。

（3）電場和熱場協同作用后，強化傳熱效果明顯強于單一工況下的強化傳熱效果。

[1]陳鳳，彭耀，宋耀祖，等. 電場對注入氣泡和沸騰氣泡影響的實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2007，28（4）：679-681.

[2]楊俠，張捷，吳艷陽，等. 以水為工質的EHD強化管內對流換熱實驗研究[J]. 熱能動力工程，2011，26（5）：547-550.

[3]劉永啟，李瑞陽，郁鴻凌，等. 中心圓柱電極EHD強化垂直管內沸騰換熱的實驗研究[J]. 化工學報，2004，55（4）：545-549.

[4]Clubbl L W. Methods for liquid heaters and improvement of their devices：UK，100796[P]. 1916.

[5]董偉，李瑞陽，郁鴻凌，等. 電場作用下氣泡的行為研究[J]. 能源研究與信息，2004，20（2）：110-115.

[6]刁彥華，趙耀華，王秋良，等. R-113池沸騰氣泡行為的可視化及傳熱機理[J]. 化工學報，2005，56（2）：227-234.

[7]Cho H J，Kang I S，Kweon Y C. Numerical study of the behavior of a bubble attached to a wall in a non-uniform electric field[J].International Journal of Multiphase Flow，1996，22（5）：909-922.

[8]楊俠，楊清，吳艷陽，等. 電場作用下冷氣泡行為試驗研究[J]. 水電能源科學，2012，30（10）：17-175.

[9]董智廣，郁鴻凌，董偉，等. 均勻電場作用下氣泡變形的研究[J].上海理工大學學報，2010，32（5）：409-412.

[10]董智廣，程道來，郁鴻凌，等. 電場對注入氣泡和沸騰汽泡影響的研究[J]. 上海理工大學學報，2012，34（5）：491-493.

[11]刁彥華，趙耀華，王秋良，等. R-113池沸騰氣泡行為的可視化及傳熱機理[J]. 化工學報，2005，56（2）：227-234.

[12]栗弗席茲. 連續媒質電動力學（上）[M]. 周奇，譯. 北京：人民教育出版社，1956.