薄膜沸騰簡介

對於一個實際的兩相流系統而言，介面處因熱傳所產生的相變化過程是 相當值得分析的問題，而沸騰(boiling)即為其中一種相變化的機制。沸騰 現象除了液體轉換為氣體的質傳行為外，更重要的是在相變化過程中，能 量以潛熱(latent heat)的形式儲存，使整個系統能夠產生高密度的熱傳。

此特點讓沸騰流動在工業應用上扮演著相當重要的角色，例如鍋爐、蒸發

面上的熱能將以潛熱的形式逐漸被吸收並帶離加熱面，這是沸騰熱傳能有 高效率除熱能力的主因，而此階段稱為核沸騰區。隨著過熱度再提高，氣 泡的成長速度太快以致於無法順利脫離壁面而開始在壁面處形成氣膜，此 時的氣膜不甚穩定很容易形成較大的氣泡而脫離表面，稱為過渡沸騰區。

當壁面過熱度持續提高到最低薄膜沸騰溫度(Leidenfrost point, B 點) 時，氣膜將穩定的存在並且包覆整個加熱的表面，此刻則由過度沸騰區轉 換為薄膜沸騰。

沸騰狀態屬於低溫核沸騰時，液體不斷與加熱面接觸而產生相變化，此 時熱量將透過自然對流和潛熱的形式被移除，進而增加了沸騰熱傳的強 度。然而，當熱通量高於臨界熱通量(critical heat flux, A 點)時，將由 核沸騰模式轉為過渡沸騰，此時液體因被氣膜所隔絕而鮮少與加熱表面接

上量測的精確度。雖然實驗上有所限制，不過也有相當多的學者已經提出 針對在某些特定條件下薄膜沸騰的半經驗式。而這些半經驗式中，較常被 後 人 所引 用 的是 Berenson[2] 所提 出 在水 平 平板 上 薄膜 沸 騰的 模 型和 Bromley[3]所推導出對於水平圓管上的薄膜沸騰之理論模型。

在水平平板的薄膜沸騰中，流體是因重力所產生的介面不穩定性而導致 氣體開始以氣泡的型態，週期性地離開平板。因此 Berenson 的理論模型是 在水平平板上一個長度為二維最危險泰勒波長(most dangerous Taylor wavelength)的正方形區域內，存在一個半徑為R的氣泡並連接均勻厚度 流動，Berenson 假設此氣體的流動為層流並忽略液體側的流場影響，同時 氣泡間的距離和氣泡半徑與_d2成正比，而導出 Nusselt 數之半經驗式，如 下：

1

0.425( )4 B

Nu GrPr

 Ja (1.3)

3 (Reynolds analogy)將模型從層流推展至紊流並，其半經驗式表示如下：

1 1

至於水平圓管的薄膜沸騰而言，Bromley 是最早提出理論模型的學者。

其透過邊界層理論(boundary layer theory)所推導出的經驗式如下：

1

0.62( )4 C

Nu GrPr

 Ja (1.9) 擬。直到 1995 年，Welch[5]採用移動的三角網格，方能模擬二維氣液介面 可隨時間任意變形的情況。而 1997 年，Son 和 Dhir[6]則利用座標轉換的 方法，模擬一組二維軸對稱的平板薄膜沸騰現象。然而上述此兩種方法雖 然能夠維持介面鮮明的程度，然而當計算時間拉長介面開始產生大量變 形，此兩方法便無法有效的呈現薄膜沸騰的現象。隨著介面運動計算方法 的精進，許多有關薄膜沸騰的數值方法也相繼被提出。常見的方法像是 Juric 和 Tryggvason[7]採用前端追蹤法、Son 和 Dhir[8]使用等位函數法

間發展了相當多有關薄膜沸騰的計算方法，包含二維水平平板及圓管的薄 膜沸騰計算乃至於三維的數值模擬。本文將再下一節中，針對兩相流介面 運動之數值方法及薄膜沸騰熱傳的數值模擬做更詳盡的文獻回顧及介紹。