高温颗粒在冷却剂中运动阻力特性的实验与理论研究

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本文对现有的高温颗粒与冷却剂相互作用的实验装置进行了改进,运用高速摄像技术记录了单个或多个高温钢球和二氧化锆小球穿过液面及在液面下运动的整个过程。通过实验观察,发现在高温小球下落冷液的过程中,由于小球周围冷却剂的快速蒸发使得高温小球周围包覆着一层很薄的蒸汽膜,并在小球的后面跟随较长的气泡尾流。 实验数据的结果表明,由于小球周围液体的快速蒸发形成的向上的阻力会阻碍小球的运动,高温小球在冷液中的下落速度明显低于常温小球在冷液中的下落速度。这一结果从实验的角度验证了高温小球穿过液面时蒸发拖曳力模型的正确性。 通过数据分析发现,小球温度、小球直径以及冷液的过冷度是影响高温小球在液面下运动特性的重要因素。在其他条件相同的情况下,小球温度越高、直径越小、冷液的过冷度越小,高温小球在冷却剂中相同位置的运动速度会越小,并且其能够接近的相对稳定速度也越小。 为了研究高温小球相互作用的影响,进行了多个高温小球下落到冷液中的实验研究。实验结果表明,多个高温小球在液面下的运动规律与单个高温小球时的情形相似,但多个高温小球在液面下运动时,前面小球后跟随的汽泡会与后面的小球发生碰撞和扰动,在一定程度上对高温小球的运动产生了一定的影响。但由于本文实验条件的限制,实验过程中每次释放的高温小球个数不是很多,这种影响并不明显。 本文基于Yang(1996)提出的高温小球在液面下运动时的蒸发阻力模型,分析并整理现有的实验数据,提出了高温小球在冷却剂中运动时的半经验半理论运动阻力模型,并得到了高温小球在冷却剂中运动时的阻力系数计算关系式。 模型计算的结果表明,对于不同材料的高温小球在冷却剂中运动时的阻力系数变化规律呈现出相似的规律。而对于同种材料的高温小球,在直径相同的情况下,温度越高,其受到的相应的阻力系数越大,运动速度相应较小;而对于直径不同,其他条件相同的高温小球在冷却剂中运动的情况,直径越小的高温小球,其在冷却剂中运动的阻力系数会较大,运动速度会较小。
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