池沸騰噪聲產(chǎn)生機理研究及其控制技術(shù)

梅長云 劉豐收 劉華 付天琳 常見虎 許志華

1.美的集團(tuán)生活電器事業(yè)部 廣東佛山 528300；2.美的集團(tuán)冰箱事業(yè)部 安徽合肥 230601

1 引言

沸騰作為一種常見的物理學(xué)現(xiàn)象，在劇烈的傳熱及傳質(zhì)過程中伴隨大量氣泡的產(chǎn)生、聚并、脫離、破裂等現(xiàn)象[1,2]。以液態(tài)水為工質(zhì)的池沸騰在家電領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用價值，如電水壺?zé)^程、飲水機加熱燒水過程等。隨著加熱技術(shù)的發(fā)展，加熱功率呈不斷增大的趨勢，甚至超過2000 W，而燒水過程常伴隨有巨大的沸騰噪聲，導(dǎo)致消費者對產(chǎn)品的體驗變差，同時產(chǎn)生大量的用戶投訴。國內(nèi)外學(xué)者主要從傳熱特性研究、數(shù)值模擬、傳熱實驗研究等方向?qū)Τ胤序v傳熱機理進(jìn)行了大量研究[3-5]。近年來，具有獨特浸潤性的表面在沸騰傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多地受到人們的關(guān)注，但對池沸騰過程中產(chǎn)生噪聲問題的機理卻鮮有研究。因此本文從氣泡演變過程與噪聲的關(guān)系為主軸，并結(jié)合表面接觸角對氣泡分離的影響分析，對池沸騰噪聲產(chǎn)生機理進(jìn)行了研究，同時通過控制表面接觸角，達(dá)到抑制噪聲的目的。

2 池沸騰噪聲產(chǎn)生機理分析

2.1 池沸騰噪聲

本文以功率為2000 W，直徑為120 mm，高度為300 mm的圓柱池為研究對象，其中圓柱池采用常用的304不銹鋼材質(zhì)，熱源為環(huán)形發(fā)熱管，環(huán)形發(fā)熱管與圓柱池焊接，工質(zhì)為純凈水。

池沸騰過程可分為四個階段，如圖1所示，自然對流階段：壁溫tw＜104℃，壁面無氣泡，壁面和水之間傳熱依靠自然對流。核態(tài)沸騰階段：壁溫104℃≤tw≤140℃，氣化核心在加熱區(qū)產(chǎn)生，并迅速生長，氣泡大量出現(xiàn)，傳熱性能達(dá)到峰值。過渡沸騰階段：壁溫140℃≤tw≤300℃，氣泡繼續(xù)生長，出現(xiàn)較大氣塊且極不穩(wěn)定，傳熱性能下降。膜態(tài)沸騰階段：壁溫tw＞300℃，加熱表面覆蓋穩(wěn)定氣膜，傳熱性能最差。

圖1 沸騰q-Δt曲線

沸騰產(chǎn)生的噪聲過程主要與自然對流、核態(tài)沸騰兩個階段相關(guān)。如圖2所示，水溫呈線性遞增趨勢，隨著水溫升高，噪聲先增加后降低。T0時刻前，噪聲增長趨勢與壁溫類似，增長率基本一致，壁溫小于100℃（水沸點），無沸騰現(xiàn)象發(fā)生，傳熱靠自然對流，噪聲低于50 dB(A)；T0時刻后，壁溫達(dá)到104℃以上，沸騰從自然對流階段進(jìn)入核態(tài)沸騰階段，T0-T1期間，沸騰處于初始核態(tài)沸騰，氣泡尺度較小，換熱效率高，壁溫增高放緩，由于小尺度氣泡的破裂，噪聲持續(xù)增加；T1-T2期間，氣泡生長為大氣泡，并大量破裂，噪聲保持峰值狀態(tài)；T2時刻后氣泡匯聚呈大氣塊，沸騰噪聲呈下降趨勢。

圖2 溫度與噪聲時域圖

2.2 氣泡演變過程

為進(jìn)一步研究氣泡演變過程與噪聲的關(guān)系，如圖3所示，借助高速攝像機觀察不同溫度點氣泡形態(tài)，隨著水溫的升高，氣泡直徑呈增大的趨勢。水溫35℃時，氣泡直徑約1～2 mm，由于體積小，其浮力小于附著力，氣泡粘附于壁面并保持穩(wěn)定狀態(tài)，氣泡破裂量較少，噪聲較小，聲功率處于30～40 dB(A)水平。隨著溫度升高至55℃，氣泡體積逐漸膨脹，直徑生長為3～5 mm，氣泡大量脫落并上升破裂，氣泡上升距離1～5 mm，噪聲達(dá)到最大值，聲功率處于65～70 dB(A)水平。當(dāng)溫度上升至75℃，氣泡體積進(jìn)一步膨脹，直徑生長至5～10 mm，氣泡維持脫落并上升破裂，氣泡上升距離5～10 mm，噪聲維持較高值，聲功率處于65～70 dB(A)水平。當(dāng)水溫繼續(xù)上升，氣泡直徑持續(xù)長大并伴隨氣泡的合并，形成較大的氣塊，雖然氣塊尺度達(dá)到15 mm以上，但是水溫已達(dá)90～95℃，氣泡與工質(zhì)的溫差較小，在氣泡上升過程中，氣泡體積出現(xiàn)小尺度的縮小，大量大氣塊沒有在水中破裂，并浮出水面，沸騰噪聲開始降低，聲功率降至60 dB(A)左右。

圖3 不同溫度點氣泡形態(tài)圖

氣泡的產(chǎn)生、聚并、脫離，并在底壁或水體內(nèi)破裂是產(chǎn)生沸騰噪聲的主要原因，如圖4所示，截取水溫55℃時的單一氣泡形態(tài)圖，觀察單一氣泡產(chǎn)生、成長、潰滅過程。池沸騰過程中產(chǎn)生大量的氣泡，圖4a)～e)展示了氣泡產(chǎn)生并生長到體積最大的過程，初始階段氣泡產(chǎn)生并吸熱長大，氣泡繼續(xù)膨脹長大，氣泡受到的浮力也相應(yīng)增加，當(dāng)氣泡浮力大于其與壁面的表面張力時，氣泡脫離壁面并上升。圖4f)～j)展示了氣泡逐漸縮小，脫離底壁并潰滅的過程。氣泡內(nèi)飽和蒸汽溫度大于液體溫度，氣泡與液體出現(xiàn)熱交換，導(dǎo)致氣泡內(nèi)部蒸汽壓力急劇下降，同時氣泡表面張力增大，氣泡快速縮小并進(jìn)一步潰滅。形成巨大的沖擊壓力，氣泡急劇脫離壁面并快速破裂產(chǎn)生噪聲。

圖4 單一氣泡形態(tài)圖

3 氣泡形態(tài)與控制研究

3.1 氣泡受力分析

Fritz[6,7]認(rèn)為表面張力與浮力是影響氣泡與壁面脫離的關(guān)鍵因素，根據(jù)流體靜力學(xué)，氣泡受力如圖5所示，其中Fb為氣泡受到的向上浮力，F(xiàn)s為氣泡表面張力垂直向下的分力，F(xiàn)為表面張力，γ為表面張力系數(shù)，θ為氣泡與壁面的接觸角，R為氣泡直徑，V為氣泡體積。

圖5 氣泡受力圖

如圖6所示為接觸角θ與氣泡半徑R關(guān)系，隨著接觸角的增加，氣泡半徑呈增大趨勢。

圖6 接觸角與氣泡半徑關(guān)系

氣泡的產(chǎn)生、聚并、脫離，并在底壁或水體內(nèi)破裂是產(chǎn)生沸騰噪聲的主要原因，抑制沸騰噪聲的有效方法是從聲源方向控制，即減少氣泡破裂量。壁面潤濕性對沸騰傳熱都有著重要的影響，而沸騰傳熱與氣泡的狀態(tài)有密切的關(guān)系，接觸角大小可控制氣泡尺度，進(jìn)而抑制噪聲大小。因此本文通過仿真與實驗結(jié)合的方法研究底壁不同親/疏水性質(zhì)對氣泡成長、脫落的影響。

3.2 氣泡生長數(shù)值模擬

3.2.1 模型及數(shù)值方法

計算區(qū)域采用40 mm×80 mm，計算區(qū)域?qū)挾却笥? Dmax，消除壁面干擾，Dmax為計算氣泡的最大脫離直徑，采用0.1 mm的均勻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[8]。采用VOF方法對氣泡脫離行為進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合蒸發(fā)冷凝、壁面粘附及表面張力模型，研究底壁接觸角θ對氣泡尺度及脫離時間的影響，接觸角示意圖如圖7。為提高相間界面的清晰度，采用Geo-Reconstruct方案離散體積方程，采用PISO壓力耦合方案，步長1E-5 s。

圖7 底壁接觸角示意圖

3.2.2 仿真結(jié)果與討論

為研究底壁接觸角θ對氣泡生長及脫離的影響，采用親水（靜態(tài)接觸角為50°、70°），中性（靜態(tài)接觸角為90°），疏水（靜態(tài)接觸角為110°、130°、150°）等6種不同接觸角進(jìn)行氣泡仿真。圖8為不同接觸角氣泡生長脫離過程圖，氣泡體積不斷增大并出現(xiàn)縮頸及脫離現(xiàn)象。氣泡生長前期，親水底壁（靜態(tài)接觸角為50°、70°）氣泡呈球狀生長，疏水底壁（靜態(tài)接觸角為110°、130°、150°）氣泡呈球冠狀生長，特別是隨著靜態(tài)接觸角的不斷提升，由于底壁已呈憎水性，表面張力占據(jù)主導(dǎo)地位，氣泡緊貼底壁擴(kuò)展并生長。氣泡生長中期，氣泡進(jìn)一步長大，隨著底壁接觸角的增加，氣泡生長周期變長。氣泡生長后期，氣泡開始出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象，繼續(xù)生長后，氣泡浮力大于表面張力向下分量，氣泡開始脫離底壁。

圖8 不同接觸角氣泡生長脫離過程圖

通過2維VOF仿真，統(tǒng)計氣泡脫離時間及脫離后氣泡面積，利用氣泡面積表征氣泡尺度大小，研究不同接觸角下氣泡尺度及脫離時間關(guān)系。如圖9所示，隨著底壁接觸角的不斷增加，氣泡脫離時間呈遞增趨勢，由120 ms（靜態(tài)接觸角為50°）逐漸增加為243 ms（靜態(tài)接觸角為150°），脫離后氣泡面積呈遞增趨勢，由2.4E-5 m2（靜態(tài)接觸角為50°）逐漸增加為4.8E-5 m2（靜態(tài)接觸角為150°）。底壁呈親水性時，氣泡脫離時間短，脫離頻率較快，有利于氣泡從其生長壁面脫離，氣泡脫離量增多；而疏水性的壁面則會使得氣泡附著在底面上，氣泡脫離尺度增大，脫離時間增長，氣泡脫離頻率較慢，不利于氣泡脫離，氣泡脫離量減少。如圖10所示為親/疏水底壁氣泡圖，通過調(diào)整接觸角大小控制氣泡尺度，進(jìn)而抑制氣泡脫離量，減少氣泡破裂量，達(dá)到降低池沸騰噪聲的目的。

圖9 氣泡脫離時間、面積與接觸角關(guān)系圖

圖10 親/疏水底壁氣泡圖

4 噪聲控制及實驗驗證

4.1 接觸角測試設(shè)備

如圖11所示為滴液法接觸角測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光學(xué)成像系統(tǒng)、精密滴定系統(tǒng)、試驗臺及光源。如圖12所示為接觸角實測圖，通過在底壁控制涂覆親水或疏水涂層的量來達(dá)到不同親水與疏水的效果，分別實現(xiàn)53.9°、71.5°的親水性表面，89.6°的中性表面及105.1°、117.9°的疏水性表面。

圖11 接觸角測試系統(tǒng)圖

圖12 接觸角實測圖

4.2 噪聲測試設(shè)備

如圖13所示為半消聲室及LMS振動噪聲測試系統(tǒng)，半消音室需滿足被測噪聲級與按各傳聲器位置處的平均值相比，背景噪聲級比所測聲壓級低15 dB以上的指標(biāo)。采用半球面十點測試法測試，測量表面為半球面，半徑r為1.0 m，10個BK聲學(xué)傳感器依據(jù)國標(biāo)安裝在半球面上。針對以上五種不同接觸角表面（53.9°、71.5°的親水性表面，89.6°的中性表面及105.1°、117.9°的疏水性表面），分別采集池沸騰從通電到水沸騰過程的噪聲數(shù)據(jù)，取最大聲功率。

圖13 半消聲室及LMS振動噪聲測試系統(tǒng)

4.3 接觸角與噪聲

圖14為接觸角與最大聲功率的關(guān)系圖，隨著接觸角的增加，最大聲功率呈遞減趨勢。底壁呈親水性時，氣泡脫離時間短，有利于氣泡從其生長壁面脫離；而疏水性的壁面則會使得氣泡附著在底面上，氣泡脫離尺度增大，不利于氣泡脫離，氣泡脫離量減少。驗證了通過調(diào)整接觸角大小控制氣泡尺度，進(jìn)而抑制氣泡脫離量，減少氣泡破裂量，達(dá)到降低池沸騰噪聲的目的。

圖14 接觸角與噪聲關(guān)系圖

5 結(jié)果與討論

（1）對池沸騰噪聲產(chǎn)生機理進(jìn)行了分析，氣泡急劇脫離壁面并快速破裂產(chǎn)生噪聲，而氣泡破裂噪聲是沸騰噪聲的主要聲源。沸騰產(chǎn)生噪聲的過程主要與自然對流、核態(tài)沸騰兩個階段相關(guān)，水溫呈線性遞增趨勢，隨著水溫升高，噪聲呈先增加后降低趨勢。

（2）從氣泡動力學(xué)角度對氣泡受力進(jìn)行了分析，確定底壁接觸角與氣泡半徑的關(guān)系，隨著接觸角的增加，氣泡半徑呈增大趨勢。

（3）采用VOF方法對氣泡脫離行為進(jìn)行數(shù)值模擬，研究底壁接觸角對氣泡尺度及脫離時間的影響，不同接觸角均出現(xiàn)氣泡體積不斷增大并出現(xiàn)縮頸及脫離現(xiàn)象。底壁呈親水性時，氣泡脫離時間短，氣泡脫離量增多；而疏水性的壁面則會使得氣泡附著在底面上，氣泡脫離尺度增大，脫離時間增長，不利于氣泡脫離，氣泡脫離量減少。

（4）隨著接觸角的增加，最大聲功率呈遞減趨勢。通過接觸角及噪聲實驗，驗證了調(diào)整接觸角大小控制氣泡尺度，進(jìn)而抑制氣泡脫離量，減少氣泡破裂量，達(dá)到降低池沸騰噪聲的目的。