开水不响，响水不开：过冷度与整体温度漫谈

文摘 2024-07-29 00:13 英国

上一篇谈了谈两相流中一个关键的定义——干度，适用于描述一种物质从饱和液态到饱和汽态之间的一种状态。但沸腾两相流可不只发生在这种状态下，还存在一个灰色地带——过冷沸腾。

今天，我们将用家里热水壶烧开水作为例子，来讨论三个概念——过冷沸腾（subcooled boiling），过冷度（subcooling），和整体温度(bulk temperature)。

过冷沸腾与过冷度

在一篇宣布创立沸腾传热新理论的公众号文章中，有很多术语让人感到熟悉又陌生，原来是同一个事情，但在不同细分行业，就变成了另一套叙事语言。例如其中谈到“欠热沸腾”，与饱和沸腾相对。

欠热沸腾，英文是Sub-cooled boiling，常见的译文是过冷沸腾。在中文文献中，根据所属行业，两者都有采用。从以下这个搜索结果来看（读者有心了），主要是核工业从业者在用欠热沸腾这个说法。

出于学术惯例，本文还是使用过冷沸腾这个词。

啥是过冷沸腾？比如家里热水壶烧水，俗话说“开水不响，响水不开”，没有烧开的水指的就是其整体温度还没有到100度，就算热水壶底部的水到了100度，产生了汽泡，也会在上浮的过程中遇到较冷的水而破灭掉，这个破灭的过程就会伴随着响声。随着水的整体温度逐渐升高并达到沸点，水中的汽泡生成过程变得平稳，声音减小，汽泡不会在中途溃破，而是会来到水面才变成蒸汽跑掉。

可见，过冷沸腾并不会有净蒸汽产生，即使产生了也会在主流中湮灭。

图片来自公众号：流体那些事 https://www.jishulink.com/post/419788

提到过冷沸腾，就不能不说过冷度。

啥是过冷度？比如说一壶水的沸点是100度，现在这一壶水的整体温度被整体加热到了80度（实际上很难做到均匀地加热到80度），那么我们就说这壶水的过冷度是20度。

再说回到核工业界爱用的欠热沸腾这一说法，不知道他们是不是爱用“欠热度”去代表“过冷度”呢？

整体温度

上一节描述过冷度时，提到一个“整体温度”，这其实不是随便说说而已，也是一个传热学的固有概念，英文是bulk temperature，意思是在热平衡的情况下，水的内部不存在温差，所对应的一个假想的温度。

例如下图所示的管内流动换热问题，流动的平均速度是U，流动截面积是A，流体的整体温度为Tm，随着流动方向的均匀加热，根据能量守恒，其整体温度线性升高。

每一个截面处的温度分布实际上是非热平衡态：

其中，（a）是层流，（b）是湍流。可见湍流时截面上温度分布相对均匀，几乎等于整体温度。传热界面附近的流体温度变化梯度（dT/dy）越大，代表热边界层越薄，传热能力越强。

每一个截面位置处的整体温度定义为：

其中，u是截面上任一点的轴向流速（垂直于y轴），T是同一个点上的局部温度，二者的乘积在截面上进行积分，从而得到该处截面的整体温度，或曰平均温度，但这个平均温度，不是无脑算术平均，其物理含义是：

当采用实验方法来测定截面平均温度时,应在测温点之前设法将截面上各部分的流体充分混合,这样才能保证测得的温度是流体的截面平均温度。

基于这一物理概念，传热学研究者们提出了大量实用的管内对流换热关联式，一般都是基于热界面固体温度与流体整体温度之差。

one more thing

准确了解以上物理概念，还可以帮我们理清一些简单的误区：

有的小伙伴在做实验时，发现给一股水流施加了一定的热量，测量出口和入口的水温之差，结果却不符合能量守恒，这就是因为出口的水温并非是在热平衡的状态，实际的流体温度分布是有一个温度剖面，是不均匀的。

除非用一个混合装置将其先混合均匀再测温，但实际的工业界应用中很少有人会如此学院派去执行，奉行的是差不多就行了。

陶文铨著《传热学》第四版第245页

当然如果流动本身已经是湍流，如上图b所示，就可以认为所测即所得了。

结语

我们本来是在谈过冷沸腾或欠热沸腾，又谈到过冷度的定义是整体温度和沸点之差，又谈到了整体温度是什么意思。只有掰扯清楚了整体温度，才能明白过冷度究竟是什么意思。而且不光明白了过冷度的意思，还有助于我们了解平时测试时可能出现的偏差背后的原因。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkxMDYzNDk3NA==&mid=2247484899&idx=1&sn=0938f8a568aa88f39e28350b2a9c711f

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