沸腾传热分析
理论：沸腾曲线的四个区域
概述
听说沸腾传热很好，到底好多少？还听说沸腾过头会很危险。
气泡形成时带走汽化潜热，脱离时搅动周围液体，所以水的核态沸腾换热系数可达1万～6万 W/m²K，是空气自然对流的一千倍以上。但热流密度升高到某个值时，气泡连成一片，蒸汽膜覆盖表面，换热系数骤降。这就是临界热流密度（CHF），在核反应堆和电子设备冷却中不超过它是设计的大前提。我们沿着沸腾曲线用数值来看。
四个区域
| 区域 | 壁面过热度（水，大气压） | 特点 |
|---|---|---|
| 自然对流 | 约5 K以下 | 无气泡 |
| 核态沸腾 | 约5～30 K | 传热最好 |
| 过渡沸腾 | 约30～120 K | 温度升高热流密度反而下降 |
| 膜态沸腾 | 约120 K以上 | 通过蒸汽膜传热 |
核态沸腾与临界热流密度公式
上式为Rohsenow核态沸腾公式，热流密度与壁面过热度 $\Delta T_e$ 的三次方成正比，$C_{sf}$ 由液体与表面组合决定（水与铜为0.013）。下式为Zuber临界热流密度与最小热流密度（莱顿弗罗斯特点）公式，都与表面材料无关。
拔山的沸腾曲线
最早测量沸腾曲线的是东北帝国大学的拔山四郎，时间是1934年。他给浸在水中的铂丝和镍铬丝通电加热，研究热流密度与丝温度的关系。电流（热流密度）升高到某个值时，丝的温度突然跃升，丝发红甚至熔断——这就是临界热流密度的发现。拔山认为控制温度就能追踪中间区域，后来过渡沸腾的存在也得到证实。这条曲线至今仍以“Nukiyama曲线”载于世界各地的教科书中。
算例：大气压下的水
核态沸腾热流密度
| 壁面过热度 | 热流密度 | 换热系数 |
|---|---|---|
| 5 K | 0.017 MW/m² | 3,400 W/m²K |
| 10 K | 0.14 MW/m² | 13,700 W/m²K |
| 15 K | 0.46 MW/m² | 30,800 W/m²K |
| 20 K | 1.10 MW/m² | 54,800 W/m²K |
临界与最小热流密度
| 项目 | 值 |
|---|---|
| 临界热流密度（Zuber） | 1.26 MW/m² |
| 此时壁面过热度（Rohsenow） | 20.9 K |
| 此时换热系数 | 60,000 W/m²K |
| 最小热流密度（莱顿弗罗斯特点） | 18.9 kW/m² |
烧毁：热流密度控制加热
设直径1 mm的丝电加热，在热流密度保持临界值1.26 MW/m²的情况下转入膜态沸腾。求蒸汽膜传热（Bromley式）加辐射（发射率0.8）输送同样热流密度所需的过热度，约为1,700 K。膜态沸腾侧换热系数约为对流360、辐射470 W/m²K，不到核态沸腾6万 W/m²K的百分之一。
从21 K到1,700 K，只是稍微提高一点热流密度就会跳这么多？
给定热流密度加热时，沸腾曲线上能取同样热流密度的点只有核态沸腾和膜态沸腾两个。一旦稍微超过临界热流密度，核态沸腾一侧就没有位置了，只能转到同一热流密度的膜态沸腾一侧。那里蒸汽膜像隔热材料一样起作用，温差大出几个数量级。铜的熔点为1,085℃，铜丝会熔化。核反应堆燃料棒和大功率电子设备对临界热流密度留有余量正是这个原因。反之，给定表面温度加热（如用蒸汽加热）时可以沿过渡沸腾走，不会发生这种跃变。
分析与设计要点
- 先用关联式画出沸腾曲线，确认工作点处于哪个区域。
- 对热流密度驱动的设备（电热、燃料棒、半导体），务必评估对临界热流密度的余量。
- Csf随表面加工和污垢变化，有实测值就据此校准。
- 有流动时（强制对流沸腾），用流动沸腾公式而不是池沸腾公式。
- 用CFD直接求解气泡时，确认界面追踪与壁面成核模型的合理性。
“淬火时的蒸汽膜”
把热钢放入水中淬火时，起初表面被蒸汽膜包裹，冷却出奇地慢（膜态沸腾）。温度降过莱顿弗罗斯特点后，膜崩溃转为核态沸腾，冷却突然加快。零件各处这一转变时刻不一致时，冷却不均匀，导致变形和淬火裂纹。搅拌水或用添加剂使膜容易破坏，都是为了缩短并统一膜态沸腾时间的办法。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 换热系数设为常数 | 随过热度偏差大 | 沿沸腾曲线变化 |
| 不看CHF余量 | 烧毁 | 评估余量 |
| 未确认Csf就使用 | 热流密度偏差成倍 | 用实测校准 |
| 流动沸腾用池沸腾公式 | CHF算错 | 用流动沸腾公式 |
| 膜态沸腾忽略辐射 | 高估壁温 | 加入辐射 |
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