【论文分享】极低温技术研究中心在气泡聚并破碎模型及液氢流动沸腾传热研究中取得进展

气泡聚并和破碎行为是气液两相流动典型的气泡行为，对液氢液氦等低温工质相变传热过程中的气含率、气液相界面积和相间传热速率有重要影响。然而，因液氢具有沸点极低、密度小、表面张力小、粘度低、汽化潜热小的特点，在其流动沸腾过程中，氢气泡聚并和破碎行为的准确预测及其对两相流动传热的影响规律，仍然是困扰学术界的难题。

近期，中山先进低温技术研究院极低温技术研究中心刘琦、王倩团队基于多相流数值模拟方法，严格评估了包括聚合、破碎和成核机制在内的各种气泡相互作用模型的预测能力，通过与实验基准数据的定量对比验证，并进行了详细的误差分析。研究结果表明，模拟精度高度依赖于气泡相互作用模型的优化选择和组合。气泡成核关联式相比其他方法具有更优异的预测性能，敏感性分析表明在大多数运行条件下，气泡破碎现象对模拟结果的影响极小。

在此基础上，针对低温液氢工质，刘琦、王倩团队进一步研究了水平圆管内液氢流动沸腾开展了数值研究，工况范围涵盖壁面热流密度0~12000 W/m²、饱和压力250~300 kPa以及入口过冷度0~4 K。研究中考虑了液氢流动沸腾过程中气泡尺寸的变化，采用群体平衡模型描述气泡的聚并与破碎行为，并结合RPI沸腾模型进行计算。通过与实验数据对比发现，气泡聚并行为对液氢流动沸腾特性具有显著影响。随后，分析了不同尺寸组气泡的分布、气泡份额的分布规律以及传热系数的变化规律。结果表明，群体平衡模型能够有效描述液氢过冷沸腾的基本传热特性及两相流动力学行为。此外，研究发现截面平均含气率沿轴向呈非线性增加，且不同的气泡粒径会影响传热系数及截面平均气泡份额的模拟精度。

论文构建了一套低温液氢工质气泡聚并和破碎行为的准确预测方法，明晰了气泡行为对液氢沸腾两相流动传热的影响规律，为液氢加注及液氢换热器的研制提供了坚实的理论基础和技术手段。

面向低温及氢能设备研制的流动传热和气泡行为研究

研究成果发表于Industrial & Engineering ChemistryResearch和Cryogenics期刊。中山低温院极低温中心吴园园为论文的第一作者，刘琦、王倩为论文的通讯作者。中山低温院极低温中心(https://mklab.ziac.cn)主要围绕稀释制冷、液氢加注、深冷分馏、低温换热等方向，开展极低温设备及系统的研制、极低温热质传递理论的研究。相关研究得到中山市创新团队项目基金资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.5c03053

https://doi.org/10.1016/j.cryogenics.2026.104402