吳艷陽，傅 捷，趙旭偉

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

電場對(duì)氣泡行為影響的實(shí)驗(yàn)研究

吳艷陽，傅 捷，趙旭偉

(武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

采用了可視化實(shí)驗(yàn)技術(shù)通過高速攝像機(jī)觀察氣泡的生長過程.通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，隨著電場強(qiáng)度的增加，氣泡的長徑比增大，氣泡脫離壁面的體積減小，氣泡的脫離頻率增大.當(dāng)電場強(qiáng)度一定時(shí)，孔徑越大，氣泡脫離體積越小，氣泡的長徑比及脫離頻率越大.

傳熱;可視化;電場強(qiáng)化

0 引言

電水動(dòng)力學(xué)(EHD)強(qiáng)化沸騰傳熱屬主動(dòng)強(qiáng)化技術(shù)，是一種將電場引入傳熱學(xué)領(lǐng)域并利用電場、流場、熱場協(xié)同作用達(dá)到強(qiáng)化傳熱的有效新方法.EHD強(qiáng)化傳熱以其強(qiáng)化效果好，功耗小等優(yōu)點(diǎn)，有著廣闊的應(yīng)用前景［1］.氣泡生成、成長、脫離和上升等各種行為是決定EHD沸騰傳熱機(jī)理的主要過程［2］，直接影響沸騰傳熱的結(jié)果，氣泡行為的研究也成為EHD強(qiáng)化沸騰傳熱分析的基礎(chǔ).在EHD強(qiáng)化沸騰換熱中，氣泡的行為發(fā)生改變，這是影響其沸騰換熱效果的主要因素.因此，一些學(xué)者對(duì)電場作用下氣泡的行為進(jìn)行了研究［3－11］.其研究方法主要分為鼓泡法和直接加熱產(chǎn)生氣泡法.本文采用鼓泡法，通過高速攝像儀觀察氣泡的行為，從中分析電場對(duì)氣泡行為的影響.

1 作用在氣泡上的電場力

作用在氣泡上的電場力是影響其運(yùn)動(dòng)過程的直接因素.根據(jù)電場力的傳遞概念，浸入流體中的物體，所受的電場力Fe可以由Maxwell(人名)電應(yīng)力張量Te來表述［9］

式(1)中，ε1為液體的介電常數(shù)，E為電場強(qiáng)度，n為法相單位向量，S為物體的面積.若該流體為理想電介質(zhì)，其中的物體為半徑為rb的球形氣泡，則對(duì)式(1)積分得［10］

式(2)中，εb為氣泡的介電常數(shù).

電場力將會(huì)影響氣泡的行為，使氣泡產(chǎn)生形變，從而影響氣泡脫離直徑、脫離體積和脫離周期.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置圖Fig.1 Experimental system layout

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)腔的大小為400×400×400 mm，容器壁為鋼化玻璃，鋼化玻璃擁有較好的透明度，能夠更好地觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)腔上部采用網(wǎng)格電極作為直流電場正電極，下部鑲嵌在試驗(yàn)腔底部作為接地電極.通過高壓電源，在實(shí)驗(yàn)過程中可以產(chǎn)生高壓直流電場.注入實(shí)驗(yàn)腔的氣體為氮?dú)?實(shí)驗(yàn)過程中通過圖像采集系統(tǒng)中的高速攝像機(jī)觀察氣泡的行為，攝像的速度為1 000幀/s.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 電場作用下氣泡的形態(tài)

將電場作用下的氣泡等效為橢圓形的球體，注入氮?dú)獾你~板和網(wǎng)格電極之間的支柱距離為L，氣泡的長軸直徑為d，短軸直徑為w，μ為氣泡的長徑比.本實(shí)驗(yàn)以L=50 mm，氣泡注入的孔徑分別為2 mm和3 mm，觀察注入的氮?dú)庠陔妷悍謩e為0 V、5 kV、15 kV、25 kV的情況下氣泡的行為，如圖2所示.

圖2 氣泡形態(tài)示意圖Fig.2 Bbubble shape diagram

3.2 氣泡注入實(shí)驗(yàn)腔的孔徑為2 mm時(shí)的氣泡行為

3.2.1 電壓為0 V時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，不加入電場，氣泡的生長過程如圖3所示.

圖3 0 V電壓下氣泡生長過程Fig.3 Bubble growth process at voltage of 0 kV

3.2.2 電壓為5 kV時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，加入電壓為5 kV的電場，氣泡的生長過程如圖4所示.

圖4 5 kV電壓下氣泡生長過程Fig.4 Bubble growth process at voltage of 5 kV

3.2.3 電壓為15 kV時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，加入電壓為15 kV的電場，氣泡的生長過程如圖5所示.

圖5 15 kV電壓下氣泡生長過程Fig.5 Bubble growth process at voltage of 15 kV

3.2.4 電壓為25 kV時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，加入電壓為25 kV的電場，氣泡的生長過程如圖6所示.

圖6 25 kV電壓下氣泡生長過程Fig.6 Bubble growth process at voltage of 25 kV

3.3 氣泡注入實(shí)驗(yàn)腔的孔徑為3 mm時(shí)的氣泡行為

3.3.1 電壓為0 V時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，不加入電場，氣泡的生長過程如圖 7所示.

圖7 0 V電壓下氣泡生長過程Fig.7 Bubble growth process at voltage of 0 kV

3.3.2 電壓為5 kV時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，加入電壓為5 kV的電場，氣泡的生長過程如圖8所示.

圖8 5 kV電壓下氣泡生長過程Fig.8 Bubble growth process at voltage of 5 kV

3.3.3 電壓為15 kV時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，加入電壓為15 kV的電場，氣泡的生長過程如圖9所示.

圖9 15 kV電壓下氣泡生長過程Fig.9 Bubble growth process at voltage of 15 kV

3.3.4 電壓為25 kV時(shí)的氣泡行為 當(dāng)孔徑為2 mm時(shí)，加入電壓為25 kV的電場，氣泡的生長過程如圖10所示.

3.4 電場對(duì)氣泡長徑比的影響

分別取氣泡注入的孔徑為2 mm和3 mm，在不同的電壓作用下，氣泡的長徑比如圖11～12所示.

可見，隨著電壓U的增大，氣泡脫離時(shí)的長徑比μ也增大，相同的電壓下，注入氣泡的孔徑越大，氣泡脫離時(shí)的長徑比越大.

圖10 25 kV電壓下氣泡生長過程Fig.10 Bubble growth process at voltage of 25 kV

3.5 電場對(duì)氣泡體積的影響

將氣泡的體積等效為橢球體的體積，橢球體的體積為

分別取氣泡注入的孔徑為2 mm和3 mm，在不同的電壓作用下，電場對(duì)氣泡體積的影響如圖13～14所示.

由圖13～14可知，氣泡脫離時(shí)的體積隨著電壓U增大而減小，電壓相同時(shí)，注入氣泡的孔徑越大氣泡脫離時(shí)的體積越小.

圖11 2 mm孔徑時(shí)電場對(duì)氣泡長徑比的影響Fig.11 Elecric field influence on the bubble’s long diameter ratio at 2 mm aperture

圖12 3 mm孔徑時(shí)電場對(duì)氣泡長徑比的影響Fig.12 Elecric field influence on the bubble’s long diameter ratio at 3 mm aperture

圖13 2 mm孔徑時(shí)電場對(duì)氣泡體積的影響Fig.13 Elecric field influence on the bubble volume at 2 mm aperture

圖14 3 mm孔徑時(shí)電場對(duì)氣泡體積的影響Fig.14 Elecric field influence on the bubble volume at 2 mm aperture

3.6 電場對(duì)氣泡脫離頻率的影響

氣泡脫離頻率是指單位時(shí)間內(nèi)氣泡脫離壁面的數(shù)量，定義如下:

其中f為氣泡的脫離頻率，td為氣泡脫離時(shí)間.分別取氣泡注入的孔徑為2 mm和3 mm，在不同的電壓作用下，電場對(duì)氣泡脫離頻率的影響如圖15～16所示.

圖15 2 mm孔徑時(shí)電場對(duì)氣泡脫離頻率的影響Fig.15 Electric field influence on the bubble’s removed frequency at 2 mm aperture

圖16 3 mm孔徑時(shí)電場對(duì)氣泡脫離頻率的影響Fig.16 Electric field influence on the bubble’s removed frequency at 3 mm aperture

可見，氣泡的脫離頻率隨著電壓的增大而增大，電壓相同時(shí)，注入氣泡的孔徑越大氣泡的脫離頻率越大.

4 結(jié)語

a.在電場的作用下，注入實(shí)驗(yàn)腔的氣泡沿電場方向從開始的球形被拉伸為橢球形，隨著電場強(qiáng)度的增大，氣泡的拉伸量(長徑比)也相應(yīng)的增大.

b.在電場的作用下，隨著電場強(qiáng)度的增大，氣泡的體積減小，氣泡的脫離頻率增大.

c.在電場強(qiáng)度相同的情況下，注入氣泡的孔徑越大，氣泡脫離體積是變小，氣泡的長徑比和脫離頻率越大.

［1］崔國民，王靜，關(guān)欣，等.微型燃?xì)廨啓C(jī)能源島系統(tǒng)分析仿真軟件——EIS系統(tǒng)［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(5):490－495.

［2］FC，MATHEWJ.Heat transfer enhancement by EHD－induced oscillatory flows［J］.Journal of Heat Transfer，2006，128(9):861－869.

［3］哈恩E，格里古爾U.沸騰換熱［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1988.

［4］Doek S，Kwak H Y.A study of bubble behavior an boiling heat transfer enhancement under the electric field［J］.Heat Transfer Engineering，2000(21):33－45.

［5］董偉，李瑞陽，郁鴻凌.單個(gè)氣泡周圍的電場數(shù)值研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2001，25(3):439－441.

［6］Bergles A E.Heat transfer enhancement－The encouragement and accommodation of high heat fluxes［J］.Journal of Heat Transfer，1997，119(2):8－19.

［7］崔海亭，彭培英.強(qiáng)化傳熱新技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［8］LEE S M，KANG I S.Three－dimensional analysis of the steady－state shape and small－amplitude oscillation of a bubble in uniform and non［J］.uniform electric fields J Fluid Mech，1999，384(1):59－91.

［9］董偉，李瑞陽，郁鴻凌.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.

［10］林緯，喻九陽，吳艷陽，等.橫紋管脈沖流流動(dòng)與換熱數(shù)值分析［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5): 89－93.

［11］喻九陽，高九陽，吳艷陽，等.機(jī)械振打器不同往復(fù)密封結(jié)構(gòu)功率損耗的分析［J］.潤滑與密封，2011 (4):69－71.

Experimental study on bubble behavior under influence of electric field

WU Yan-yang，F(xiàn)U Jie，ZHAO Xu-wei
(School of Mechanical＆Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China)

The experimental study focused on the process of bubble growing under electric field，while visualization technique was adopted.Based on analyzing the results recorded by the high-speed camera，it was clear that ratio of height to diameter of bubble increased，the volume of bubble escaping from the wall became smaller and the frequency of bubble escaping increased with the electric field strength increasing.A similar trend was observed when the aperture got larger and the electric filed strength was constant.

heat transfer;visualization;electrohydrodynamics enhancement

TQ016

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2012.03.014

1674-2869(2012)03-0064-06

2011-12-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(50906065)

吳艷陽(1974－)，男，湖北咸寧人，講師，博士.研究方向:壓力容器無損檢測、傳熱.

本文編輯:陳小平