蒸汽滴状冷凝液滴表面温度分布及演化

利用红外热成像技术研究了蒸汽滴状冷凝中液滴合并过程表面温度分布及演化机制,并基于此分析了不同尺寸液滴表面温度随传热通量变化的分布规律。实验结果表明:与蒸汽在微小液滴表面发生连续冷凝不同,液滴合并过程中蒸汽通过四个阶段实现在大液滴表面的周期性冷凝传热;其中,在液滴吸收蒸汽冷凝放热阶段和向壁面传热阶段之间存在一个平衡,高热通量时,蒸汽向液滴表面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而升高;低热通量时,液滴向冷凝壁面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而降低。液滴运动引起的蒸汽在大液滴表面直接冷凝过程为强化低压蒸汽冷凝传热提供了新思路。     

液滴撞击热壁面流态演变及传热特性研究进展

液滴撞击热壁面因其优异热质传递能力而广泛应用于能源、化工、航空航天等领域,针对液滴撞击热壁面流动传热特性及影响机制的研究对强化喷雾冷却及降膜蒸发器的传热效率至关重要.从实验研究、数值模拟、解析理论三方面,综述了液滴撞击热壁面过程的流态演变及传热特性研究进展,对比分析了典型研究方法的研究结果及特点.发现TIR(全内反射成...     

液氮滴撞击壁面相变行为的数值研究

采用Level Set-VOF方法建立单液氮滴撞击壁面的数值模型,探索壁面润湿性(30°—150°)、撞击速度(0.1和1.6 m/s)及壁面温度(300—500 K)对液滴撞壁演化过程中相变行为的影响,并理论推导了气膜生长数学模型.结果表明:增强壁面润湿性、提高撞击速度有利于液滴沿径向铺展,从而增大了换热面积并降低热阻,使换热性能得到显著提升;提高壁面温度增大了换热温差,热流密度随之上升;三相接触线处热阻较小导致边缘处热流密度高于中心处,不同润湿壁面上热流分布的差异性因初始速度的增大而缩小,呈现明显的速度效应;在膜沸腾区,传热过程主要集中在撞击初期,气膜是主要换热热阻;基于质量守恒和能量守恒建立气膜生长数值模型,模型预测结果与本文模拟结果和其他研究结果非常吻合.     

喷雾冷却中微液滴碰撞薄液膜的流动与换热

在喷雾冷却过程中,液滴撞击对壁面薄液膜的流动与换热特性有重要影响。本文采用Volume-of-Fluid(VOF)方法,对单液滴与双液滴撞击恒温壁面上薄液膜的换热特性进行了数值模拟分析。结果表明,液滴冲撞作用会使壁面产生很大热流,液滴初始直径越大、速度越快,换热系数越大。对于多液滴,撞击产生的扰动可以彼此迭加,从而进一步增强换热。     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.     

液滴撞击热壁面的相变行为研究

本文基于格子Boltzmann方法建立了液滴撞击热壁面的数学模型,研究了撞击过程液滴相变传热机制,重点分析了壁面温度与We数的影响规律.结果表明,随着壁面温度升高,液滴撞击壁面出现接触沸腾、膜态沸腾相变模式.接触沸腾过程中液滴内部与壁面接触的三相线附近出现最大局部热流.当壁面温度超过Leidenfrost点后,撞击液滴因界面蒸发产生的气膜托举作用而与壁面无接触地铺展、回缩直至完全反弹形成膜态沸腾,这一阶段液滴所能达到的最大铺展因子与液滴We数呈幂次关系(指数为0.313).     

液滴撞击加热壁面传热实验研究

本文采用高速摄像仪对水滴和乙醇液滴撞击加热壁面后的蒸发过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击加热壁面后的蒸发特性参数. 实验中, 两种液体初始温度均为20 ℃, 不锈钢壁面初始温度范围为68-126℃. 水滴初始直径为2.07 mm, 撞击壁面时Weber 数为2-44; 乙醇液滴初始直径为1.64 mm, Weber数为3-88. 结果表明, 液滴受到重力、表面张力及流动性的影响, 在蒸发过程的大部分时间内, 水滴高度持续降低而接触直径几乎不变; 蒸发后期, 液滴发生回缩, 水滴的接触直径、高度和接触角出现振荡现象. 乙醇液滴的接触角随时间的增加呈现先减小随后保持不变的趋势, 而接触直径和高度则持续减小, 直到液滴完全蒸发. 液滴蒸发总时长与液体物性和壁面温度有关, 随壁面温度的升高而减小, 与液滴撞击壁面时的Weber 数无关. 同时, 随着壁面温度的升高, 液滴显热部分占总换热量的比重增大, 显热部分能量不可忽略, 本文实验条件下得到水滴的平均热流密度为0.014-0.110 W·mm^-2.     

双液滴撞击平面液膜的流动与传热特性

采用耦合的水平集-体积分数法(CLSVOF)对双液滴连续撞击恒定壁温壁面上的热液膜的流动和换热特性进行了数值模拟及分析,得到了双液滴撞击热液膜后形态演变的过程.分析了液滴垂直间距、撞击速度、液膜厚度以及液滴直径对双液滴撞击液膜后的流动与传热特性的影响,结果显示,壁面平均热流密度随液滴撞击速度的增大而增大,液滴垂直间距、液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小,但会对热流密度在撞击区域和交界区的分布产生重要影响.     

液滴撞击壁面铺展及换热过程数值模拟

基于喷雾冷却时液滴撞击壁面现象,本文采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法对不同工况下单液滴撞壁过程进行数值模拟,获得了单液滴撞击热壁面动态特性;分析了初始速度、液滴直径等初始参数对液滴撞壁后的动态铺展规律以及壁面换热特性的影响规律,获得了上述参数变化时液滴铺展系数和热流密度的变化趋势;探讨了场协同效应、液滴内部气泡以及三线接触点对壁面换热的影响。碰壁现象的研究对于大型制冷机组室外机散热、高热流电子器件散热等领域优化与控制喷雾有重要意义。     

基于电化学与热能的耦合关系演算聚合物锂离子动力电池的温度状态及分布

基于电化学-热耦合模型研究聚合物锂离子动力电池放电过程热行为, 分析了放电倍率、冷却条件对电池放电过程的温度变化及分布的影响规律. 结果表明: 3C放电时, 模型计算结果与实测结果的平均偏差为0.57 K, 方差为0.15, 说明模型准确度较高. 电芯的平均生热率在整个放电过程中呈现出增加的趋势, 初期和末期增长较快. 大倍率放电时, 与电流密度的平方呈正比的不可逆热所占的比重较大, 小倍率放电时, 电化学反应可逆热占主导. 改善冷却条件能降低电池放电过程的平均温度, 对流传热过程的表面传热系数为5 W/(m²·K), 1 C, 3 C, 5 C放电结束时, 电芯的平均温升为分别为6.46 K, 17.67 K, 27.53 K, 当对流传热过程的表面传热系数增加至25 W/(m²·K)时, 温升比自然对流条件下相同倍率放电时的温度分别降低了2.91 K, 4.68 K, 5.62 K, 但电芯温度分布的不一致性也会加剧. 关键词： 电化学 耦合 锂离子动力电池 温度分布     

Continuous droplet rebound on heated surfaces and its effects on heat transfer property: A lattice Boltzmann study

A thermal multiphase lattice Boltzmann(LB) model is used to study the behavior of droplet impact on hot surface and the relevant heat transfer properties.After validating the correctness of the codes through the D~2 law,the simulations of intrinsic contact angle and the temperature-dependent surface tension are performed.The LB model is then used to simulate the droplet impact on smooth and micro-hole heated surface.On the smooth surface,the impinging droplet is reluctant to rebound,unless the intrinsic wettability of the solid surface is fairly good.On the micro-hole surface,however,the micro-holes provide favorable sites for generating a high-pressure vapor cushion underneath the impinging droplet,which thereby facilitates the continuous droplet rebound.For the continuously rebounding droplet.The time evolution of volume and temperature display obvious oscillations.The achievable height of the rebounding droplet increases as the intrinsic wettability of the solid surface becomes better,and the maximum transient heat flux is found to be directly proportional to the droplet rebounding height.Within a certain time interval,the continuous rebounding behavior of the droplet is favorable for enhancing the total heat quantity/heat transfer efficiency,and the influence of intrinsic wettability on the total heat during droplet impingement is greater than that of the superheat.The LB simulations not only present different states of droplets on hot surfaces,but also guide the design of the micro-hole surface with desirable heat transfer properties.     

超临界CO2-丙烷混合物管内传热特性数值研究

采用SST k-w湍流模型对超临界CO₂/丙烷混合工质水平管内的传热特性进行数值模拟研究。管径d=4 mm,加热段L₂=800 mm;混合工质浓度配比为100/0、95/5、90/10、85/15、80/20、75/25;质量流速为150～250 kg·m^?2·s^?1;热流密度为30～40 kW·m^?2,入口温度293 K,入口压力7.5～30 MPa。随着丙烷浓度的增加,CO₂/丙烷二元混合工质的临界压力降低,临界温度升高,丙烷浓度从5%增加到25%,换热系数峰值降低6.19%～31.45%,但增加丙烷浓度可提高拟临界温度后的换热效果。P=7.5～8.5 MPa,换热系数有明显峰值;P=20～30 MPa,换热系数变化规律无明显峰值,并随压力的升高而减小。混合工质的换热系数随质量流速的增大而增大。同一流体温度所对应的换热系数,随着热流密度的增加而减小。     

超临界CO2-丙烷混合物管内传热特性数值研究

采用SST k-w湍流模型对超临界CO₂/丙烷混合工质水平管内的传热特性进行数值模拟研究。管径d=4 mm,加热段L₂=800 mm;混合工质浓度配比为100/0、95/5、90/10、85/15、80/20、75/25;质量流速为150～250 kg·m^?2·s^?1;热流密度为30～40 kW·m^?2,入口温度293 K,入口压力7.5～30 MPa。随着丙烷浓度的增加,CO₂/丙烷二元混合工质的临界压力降低,临界温度升高,丙烷浓度从5%增加到25%,换热系数峰值降低6.19%～31.45%,但增加丙烷浓度可提高拟临界温度后的换热效果。P=7.5～8.5 MPa,换热系数有明显峰值;P=20～30 MPa,换热系数变化规律无明显峰值,并随压力的升高而减小。混合工质的换热系数随质量流速的增大而增大。同一流体温度所对应的换热系数,随着热流密度的增加而减小。     

Water contact angles on charged surfaces in aerosols

Interactions between water and solid substrates are of fundamental importance to various processes in nature and industry. Electric control is widely used to modify interfacial water, where the influence of surface charges is inevitable. Here we obtain positively and negatively charged surfaces using LiTaO₃ crystals and observe that a large net surface charge up to 0.1 C/m² can nominally change the contact angles of pure water droplets comparing to the same uncharged surface. However, even a small amount of surface charge can efficiently increase the water contact angle in the presence of aerosols. Our results indicate that such surface charges can hardly affect the structure of interfacial water molecular layers and the morphology of the macroscopic droplet, while adsorption of a small amount of organic contaminants from aerosols with the help of Coulomb attraction can notably decrease the wettability of solid surface. Our results not only provide a fundamental understanding of the interactions between charged surfaces and water, but also help to develop new techniques on electric control of wettability and microfluidics in real aerosol environments.     

补偿腔支路对环路热管传热性能影响的实验研究

在环路热管系统工作中,存在因补偿腔温度过高而造成的蒸发器烧干现象。在常规环路热管系统中设计了补偿腔支路,以带走热源向补偿腔传递的径向热量,并对设计的环路热管系统进行实验测试,分析补偿腔支路对环路热管传热特性的影响。实验结果表明:补偿腔支路开启后,在热流密度14 W/cm²时,系统稳定启动所需时间从4 min减少到3 min,表明系统稳定启动所需时间减小,有利于快速启动;在热流密度18 W/cm²下,对应的壁面温度从88.2℃降至85.4℃,系统热阻从0.56 K/W减小到了0.49 K/W,表明系统所能承受的最大热流密度更大,系统热阻也更低,因此系统的传热性能更好。     

高炉渣熔融液滴撞击壁面行为特性实验研究

针对高温熔渣粒化技术的开发,本文通过可视化实验研究了高炉渣熔融液滴撞击不锈钢壁面的动态行为特性。结果表明:随液滴雷诺数增大,撞击过程液滴形态演变模式依次由铺展-回缩转变为铺展-回缩破碎和铺展-破碎-凝固;增大壁面粗糙度可减弱与壁面换热,抑制液滴铺展;减小壁面粗糙度促进液滴发生破碎;液膜回缩过程普遍出现回卷现象,壁面倾角越大,液膜回卷和液滴滚动现象越显著,且液滴铺展面积越大,在壁面停留时间越长;减小液滴雷诺数、减小壁面粗糙度并采用垂直粒化仓壁面有利于壁面防黏结。     

方柱微结构表面射流-流动沸腾强化换热

采用长×宽×厚为10 mm×10 mm×0.5 mm的硅片来模拟实际芯片散热,通过干腐蚀技术在其表面加工出宽×高分别为50μm×60μm,50μm×120μm的方柱微结构,实验研究了方柱微结构在射流冲击下的流动沸腾换热性能。过冷度为25℃和35℃,横流速度V_c为0.5,1.0,1.5 m/s,喷射速度V_j为0～2 m/s,冷却工质为FC-72。实验结果和同工况下的光滑表面作了对比。结果表明,方柱微结构由于换热面积的增加从而表现出优于光滑表面的强化换热性能,增加过冷度和提高V_c以及V_j都提高了芯片在高热流密度下的换热性能,但随着V_c的增加,射流冲击的强化作用减弱,低流动高喷射的强化效果最为明显。方柱肋片效率随着热流密度的增加而减小,随着V_c(V_j)增加,方柱肋片效率也逐渐下降,但降幅随着V_c的增加而减小。