沸腾传热

沸腾传热是工程热物理学科发展非常迅速的分支学科之一，这是因为沸腾传热不仅与常规的动力、冶金、石油、化工、机械、轻工、制冷和低温技术等有密切联系，而且对航空航天、军工、集成电路、核反应堆和新能源等国家重大需求领域有着重要影响。 
国内外学者对沸腾传热领域已进行了广泛深入的理论和实验研究，发表了大量的科技论文和研究报告，并出版了一些有价值的学术著作。但是，由于沸腾传热这种相变对流传热过程中涉及热力学、传热学和两相流体动力学，过程中变量很多，使得沸腾传热过程尤其是流动沸腾过程变得错综复杂。总体来说，沸腾传热研究仍处于发展阶段，沸腾相变传热过程涉及本质规律及其机制非常复杂，例如沸腾传热涉及气泡动力学行为、气液两相流动、流型转换条件、不稳定性发生机制、相变传热机理、尺度效应等，目前尚不明确清晰。此外，沸腾传热的机理模型、强化技术方法及其工程应用，特别是沸腾两相流过程的主动控制，这些都需要长期深入的研究。因此，总结和概括现有的研究工作，对沸腾传热过程的基本概念及基本规律进行比较系统的分析和讨论，指出存在的问题和今后的发展方向，以促进沸腾传热研究工作的深入发展，是本书主要的目的。 
全书共分8章：第1章比较系统地概述了沸腾传热过程的发展历程和研究方法；第2章着重介绍了沸腾工况、沸腾的三种主要形态（核态沸腾、膜态沸腾和过渡沸腾的物理机制）和莱顿弗罗斯特现象及应用；第3章叙述了池沸腾的基本概念，主要介绍了三种主要形态传热机制和临界热流密度机理；第4章叙述了流动沸腾的基本概念，着重介绍了流动沸腾的流型演变、传热原理和两相流动不稳定性抑制机理；第5章系统介绍了沸腾传热模型；第6章着重介绍了沸腾传热的强化技术及其原理，并分析了它们在工程上的适用性；第7章和第8章则从应用角度分别介绍了小通道重力热管的沸腾传热特性和泵驱两相回路中小通道沸腾传热特性及主动控制。 
随着国内外学者在沸腾传热领域的深入研究，在沸腾传热的基本原理、强化机理和工程应用方面形成了显著的成果。为紧跟专业发展方向，扩展研究视野，激发学习兴趣，本书在介绍沸腾传热基本理论和方法的同时，密切关注了沸腾传热近年来发展的新原理、新方法和新研究热点。例如本书在介绍莱顿弗罗斯特（Leidenfrost）现象基本原理的基础上，引入了Leidenfrost液滴自驱动及相关应用重要的前沿研究进展。鉴于目前计算流体力学和计算传热学理论的日趋成熟，沸腾传热数值模拟方法得到了迅速发展，例如基于宏观守恒方程的宏观方法以及基于格子玻尔兹曼方程的介观方法等，这些新的模拟方法已在本书中引入介绍。沸腾传热强化是近些年沸腾传热研究的热点，本书较详细地介绍了池沸腾和流动沸腾的强化技术方法，也简要陈述了液态金属强化沸腾传热。此外，面向航空航天、军工和集成电路等国家战略新兴领域涉及的高热流电子元器件高效热管理需求，本书专门介绍了小通道重力热管的沸腾传热特性和泵驱两相回路中小通道沸腾传热特性及主动控制。 
在本书编写过程中，课题组老师张程宾、李文明、吴苏晨、华丹和研究生王贺、李冠儒、张玉峰、卢悦、赵陶程、韩群、陈霞、杨瑞雪等在文献整理、插图制作和文字校稿等方面提供了很多帮助，在此表示感谢。研究工作还得到了“叶企孙”科学基金(No. U2241253)、国家杰出青年科学基金(No. 51725602)的支持，在此一并感谢。 
由于著者水平有限，本书不妥之处在所难免，敬请广大读者予以批评指正。 

著者    
2022年12月

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第1章  绪论 
1.1  研究对象和研究方法  001 
1.2  发展简史和现状  002 
参考文献  004 

第2章  沸腾传热的基本理论 
2.1  沸腾工况  006 
2.2  成核理论  008 
2.2.1  过热液体中的气化成核理论（均相成核理论）  008 
2.2.2  加热壁面上的气化成核过程（非均相成核过程）  011 
2.2.3  凹坑内气泡核心的长大与活化  016 
2.2.4  壁面上活化凹坑的分布密度  019 
2.3  气泡动力学  020 
2.3.1  气泡在温度均匀的过热液体中成长  021 
2.3.2  气泡在加热壁面附近的非均匀温度场中成长  030 
2.3.3  气泡从加热面上的脱离  036 
2.3.4  气泡的聚合和上升运动  040 
2.4  莱顿弗罗斯特现象及应用  044 
2.4.1  莱顿弗罗斯特现象  044 
2.4.2  莱顿弗罗斯特温度  045 
2.4.3  莱顿弗罗斯特液滴自驱动  049 
2.4.4  莱顿弗罗斯特现象的应用  050 
参考文献  051 

第3章  池沸腾 
3.1  池内核态沸腾传热  055 
3.1.1  核态沸腾传热的机理  056 
3.1.2  影响池内核态沸腾传热的主要因素  070 
3.1.3  池内核态沸腾传热关联式  076 
3.2  临界热流密度  080 
3.2.1  临界热流密度的机理和物理模型  080 
3.2.2  影响池沸腾临界热流密度的主要因素  085 
3.2.3  池沸腾临界热流密度的综合关系式  089 
3.3  池内膜态沸腾传热  091 
3.3.1  竖直平壁上的膜态沸腾  092 
3.3.2  水平加热表面上的膜态沸腾  094 
3.3.3  水平圆柱体和球体上的膜态沸腾  097 
3.3.4  影响膜态沸腾的其他因素  099 
3.4  池内过渡沸腾传热  101 
3.4.1  过渡沸腾传热的流体动力学特征  102 
3.4.2  过渡沸腾传热机理  103 
3.4.3  影响过渡沸腾传热的主要因素  112 
参考文献  115 

第4章  流动沸腾 
4.1  沸腾两相流型  119 
4.1.1  通道的定义  119 
4.1.2  竖直管内流动沸腾的流型  119 
4.1.3  水平管内流动沸腾的流型  121 
4.1.4  微通道流动沸腾流型  122 
4.2  流动过冷沸腾  124 
4.2.1  过冷沸腾的起始点  124 
4.2.2  过冷沸腾的空隙率和压力降  126 
4.2.3  过冷沸腾的传热关联式  132 
4.3  流动饱和沸腾  136 
4.3.1  两相强制对流蒸发  137 
4.3.2  流动饱和沸腾  141 
4.4  流动膜态沸腾  145 
4.4.1  反环状流膜态沸腾  146 
4.4.2  雾状流膜态沸腾  155 
4.5  流动沸腾临界现象  161 
4.5.1  流动沸腾临界现象的发生机制  161 
4.5.2  流动沸腾临界热流密度的影响因素  164 
4.5.3  流动沸腾临界热流密度的实验关联式  165 
4.6  两相流动不稳定性  171 
参考文献  173 

第5章  沸腾传热模型 
5.1  宏观方法  175 
5.1.1  界面捕获方法  175 
5.1.2  传质模型  176 
5.2  介观方法  177 
5.2.1  伪势模型  177 
5.2.2  相场模型  178 
5.3  应用实例  179 
5.3.1  实例一：微通道流动沸腾传热  179 
5.3.2  实例二：受限窄空间池沸腾传热  180 
5.3.3  实例三：双热导率结构表面池沸腾传热  185 
参考文献  187 

第6章  沸腾传热的强化 
6.1  概述  190 
6.2  池沸腾传热的强化  191 
6.2.1  纳米流体强化池沸腾传热  192 
6.2.2  表面结构改性强化池沸腾传热  192 
6.2.3  多孔表面强化池沸腾传热  200 
6.3  流动沸腾传热的强化  201 
6.3.1  沸腾传热系数的强化  201 
6.3.2  临界热流密度的强化  202 
6.4  液态金属强化沸腾传热  203 
参考文献  206 

第7章  小通道重力热管的沸腾传热特性 
7.1  重力热管简介  208 
7.2  常规小通道重力热管的沸腾传热特性  209 
7.2.1  可视化实验介绍  209 
7.2.2  气液两相流动特性  210 
7.2.3  两相流机理图  213 
7.2.4  热管传热性能  214 
7.3  分离式小通道重力热管的沸腾传热特性  215 
7.3.1  分离式小通道重力热管实验系统介绍  215 
7.3.2  小通道蒸发器的沸腾传热特性  217 
参考文献  218 

第8章  泵驱两相回路中小通道沸腾传热特性及主动控制 
8.1  泵驱两相回路  219 
8.2  小通道蒸发器流动沸腾传热特性  220 
8.2.1  泵驱两相回路实验介绍  220 
8.2.2  小通道流动沸腾流型  222 
8.2.3  小通道蒸发器的启动模式  223 
8.2.4  泵驱两相回路的动态热特性  228 
8.3  泵驱小通道两相回路主动控制  230 
8.3.1  两相流热控系统  230 
8.3.2  泵驱两相回路的主动控制策略  232 
参考文献  235

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