苯工质作用下电场对气泡的作用(2)

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3 ANSYS 软件的应用 12

3.1 引言 . 12

3.1.1 软件功能简介 . 12

3.1.2 前处理模块 PREP7 . 12

3.1.3 求解模块SOLUTION 13

3.1.4 后处理模块 POST1 和POST26 .. 13

3.2 电磁场有限元分析 . 13

3.3 有限元法的计算步骤 14

3.3.1 构建模型 14

3.3.2 施加载荷计算 . 15

3.3.3 求解 .. 16

3.3.4 后处理 . 16

4 电场对汽泡的作用 .. 17

4.1 物理问题陈述 17

4.2 电场控制方程和边界条件 . 18

4.3 计算结果及分析 .. 18

5 结论 .. 27

致谢 . 28

参考文献 .. 29
1 绪论 1.1 课题选择依据及研究意义能源是我们赖以生存的基本条件，是经济和社会发展的动力。如今，各国致力于积极开采能源，挖掘地球上的现有资源，如：石油、煤炭、天然气等。再加上环境恶化等因素，使得能源的日益短缺已成为世界各国关注问题，纷纷加入新能源的开发以缓解能源紧张的问题。此外，提高能源有效利用率和节能也是缓解能源紧张局势的有效途径之一。其中，强化传热就是有效提高能源利用效率的途径。提高强化传热有增大换热器换热面积和提高换热系数两种方法，增大传热面积的研究而今已经趋于成熟，同时还有很多提高换热系数的方法，此课题的外加电场强化换热就是这里面的一个领域。外加电场强化传热简称为 EHD(electrohydrodynamics—电水动力学)强化传热，它是将电场基本理论引入传热学，通过在流体中施加一个外加电场，利用电场、流场与温度场之间的相互和协同作用而达到强化传热目的的一种行之有效的办法。实际上，EHD强化传热技术有着独有的优越性以及良好的应用前景，一方面外加电场强化传热技术可以减小换热器重量和尺寸，节约材料用量，使得换热器及其附属设备的投资成本降低；另一方面可以使工质与换热面之间的温差减小，从而整体上提高热力设备的效率。从开发新能源角度来说，如：太阳能的利用，由于传热温差很小，因而效率较低，而外加电场强化传热技术恰恰对小温差传热的强化作用非常明显。因此，该技术可成为暧通、化工、冶金、能源、航天等领域的一项具有发展前途的强化传热新技术，对该技术的研究和开发将对节约能源、缓解能源紧张、保证国民经济持续发展将具有重要的现实意义和社会意义。虽然有关 EHD 强化传热技术的研究在近十几年中取得了很大突破，但由于电场、流场和温度场三者之间的相互耦合作用，由之而产生的一系列复杂因素使 EHD 强化传热的机理变得非常复杂，导致 EHD 强化换热的基本原理还没有完全揭示出来。
过去的研究认为 EHD 强化传热主要有两种原因：一是电场对流体的电对流作用；二是外加电场改变了汽泡的运动方式。早在二十世纪五、六十年代，Bonjour 和 Turnbull 等人就已对电对流作用做了较深入的研究，该研究对于探明 EHD 强化自然对流换热机理奠定了基础。而对于两相沸腾换热，汽泡核的形成、汽泡的生长、跃离和上升是决定沸腾换热机理的一些主要过程,施加电场后，汽泡的运动过程发生变化，从而对边界层产生扰动，直接强化了换热效果。因此，研究电场作用下汽泡的运动规律，对 EHD 强化传热机理的研究有决定性的作用。汽泡在电场作用下的受力情况对其运动过程有直接的影响。在电场力的作用下，汽泡的动力学特性发生变化；汽泡的出现会改变原有的电场分布；此外，汽泡在运动过程中的变形、破裂、合并等，都由于电场的介入而发生变化，从而导致两相流型明显改变；加之汽—汽、汽—液之间的相互作用，这一系列复杂因素给模拟和预测汽泡受力带来了一定困难。因此对汽泡的运动过程进行精确的分析描述是相当困难的，而只有做出适当的简化假设以后才能做到，且这些假定又要求用试验来检验。到目前为止，对于该方面的研究仍十分有限。虽然有些学者给出了一些定性分析，但尚未达成共识。因此，为探索 EHD 强化沸腾换热机理，有必要从机理性试验入手，从基础性研究出发，明确外加电场作用下离散相的运动规律。这对于进一步提高 EHD 强化沸腾换热效果，促进EHD强化传热技术在工程实际中的应用，都具有重大的意义。