矩形微槽横截面换热特性的分析

对矩形毛细微槽中液膜在横截面方向上的换热特性进行了研究。计算结果表明,当弯月面与槽底接触时,不仅在微槽的侧壁面上存在两个蒸发薄液膜区,在槽底还形成了两个蒸发薄液膜区;随着槽底热负荷的增大,薄液膜区域热流密度的峰值随之升高;固液接触角增大,薄液膜区域的热流密度峰值增大;薄液膜区域的高强度蒸发换热是矩形毛细微槽高强度换热的主要原因,占总换热量的80%以上;固液界面接触角对薄液膜换热的影响很大。     

水平微肋管内基于分层流流型的沸腾传热理论模型

本文提出了基于气液分层流的水平螺旋微肋管内沸腾传热理论预测模型。在模型建立过程中,采用了与开发微肋管冷凝分层流模型类似的理论处理方法。在气液分界面以上区域,相邻微肋之间的沟槽内的半月形液面形状取决于重力和表面张力之间的静力平衡关系,其中半月形液面中的薄液膜区域的传热特性由先前提出的薄液膜蒸发模型预测;分层流液体中的传热特性由Mori等建立的基于实验数据的关联式确定。将模型理论预测值与已由的四种不同结构的微肋管、三种有机工质下得到的实验数据进行了比较,结果表明,只要不发生管内部分烧涸现象,在Fr0<2.5时,理论预测值和实验数据符合得相当好。     

矩形毛细微槽横截面上气液分界面形状理论分析

对背面有热流输入的矩形毛细微槽群横截面上的气液分界面形状进行了理论分析,在一定条件下对Wayner蒸发模型进行简化,根据等壁温条件推出蒸发薄液膜区域热流密度近似为定值,通过流体动力学理论推导出了微槽横截面薄液膜区域液膜厚度变化的关系式,并与Wayner蒸发模型的计算结果进行了比较。进一步提出了全新的交界线区域长度的判定方法,根据蒸发薄液膜区域总换热量计算得到蒸发薄液膜区域的长度,交界处接触角,以及固有弯月面区域的曲率半径,从而最终得出了微槽横截面整个气液分界面的形状曲线,理论分析表明:槽宽、热流密度、过热度等因素对蒸发薄液膜区域长度、接触角以及固有弯月面曲率半径等参数有较大的影响。     

波纹竖壁上低雷诺数饱和蒸发液膜流动的研究

对饱和蒸发状态下的低雷诺数的液膜在小波幅正弦型波纹壁面上的自由降落进行了理论分析.通过无量纲化、引入流函数、采用摄动展开对数学模型进行处理,得到了这种情况下液膜流动的分析模型,计入了饱和蒸发压力的影响,得到了近似分析解.讨论了壁面波纹的波幅、波数、液膜表面张力和蒸发压力对液膜波动的影响.     

微槽群内汽泡动力学行为对接触线的影响

针对沸腾情形下毛细微槽群热沉内汽泡对汽液固三相接触线的影响,进行了可视化实验研究。研究结果表明：汽泡动力学行为会直接导致微槽群内三相接触线的形状变化,从而引起蒸发薄液膜的厚度、面积以及汽液界面曲率等对薄液膜的蒸发换热特性有重要影响的物理量的变化。实验证实了在开放式微细尺度槽群结构热沉中,固有弯月面区域里的沸腾与扩展弯月...     

存在液膜的毛细蒸发过程研究

采用水浴恒温蒸发方法研究了液膜存在时的毛细蒸发过程. 研究结果表明：毛细蒸发过程中液/气界面符合黏性指延,且不受蒸发速度及液膜状态的影响;蒸发过程可分为剧烈减速、匀速蒸发、线性减速蒸发和边界效应四个阶段,分别对应不同的液膜状态;毛细蒸发的主要区域在毛细管端口液膜处,工质由液体区流向端口蒸发区的过程中液膜起到了通道桥梁作用. 关键词： 毛细蒸发 液/气界面 蒸发阶段 液膜     

矩形微槽蒸发薄液膜新边界条件的设定

采用了一种新的边界条件来求解微槽内蒸发薄液膜的控制方程。这种新的边界条件保证在毛细微槽中,本征弯液面区域的液面弯曲中心位于微槽的中心线上,从而消除了传统微槽薄液膜计算模型中产生的物理矛盾。计算结果显示随着过热度的增加,本征弯液面部分的曲率半径不是恒定的,而是逐渐增加的,这导致了本征区域毛细吸力的降低。计算结果同时表明在本征区域的较薄位置,存在一个狭窄的热流密度相当大的子区域。在数值研究中,如果将此子区域用恒定半径的区域来替代,从理论上来讲是不合理的。     

微细通道内蒸发薄液膜区壁面滑移及微流动特性

基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论研究微通道中蒸发薄液膜区固液界面附近流动和传热特性,考虑压力特征、壁面滑移和温度跳跃建立物理模型.利用边界层近似,提出一种计算固液界面吸附微液层热阻的方法,导得固液界面的热阻和温度.数值模拟结果表明,壁面微流动会降低毛细压力梯度,增加壁面热阻,降低液相过热度,恶化液膜铺展和传热性能,在薄液膜区不可忽略.阐明壁面微流动含义,指出滑移系数与吸附流动微液层厚度的关系.     

强化管管外升膜蒸发换热特性实验

升膜蒸发是利用微细槽道对液体的毛细抽吸作用,在强化管外表面覆盖一层薄液膜,进而以薄膜蒸发的形式实现强化换热.本文针对强化管在水中的浸入深度,蒸发压力,加热壁面过热度等因素对升膜蒸发换热性能的影响展开实验研究.实验结果表明随着管外液位的降低升膜蒸发换热系数明显提高,此外,蒸发压力和加热壁面过热度因素对升膜蒸发换热性能也有着显著的影响.     

水平管外降膜蒸发的熵产分析

从热力学第一、第二定律的角度出发,结合水平管外降膜蒸发的特点,推导出了降膜蒸发过程单位熵产数Ns的公式,并在所建立的管外液膜厚度模型的基础上进行了求解。结果表明:沸腾蒸发时的单位熵产数Ns要小于表面蒸发时的值;采用强化表面可以有效地降低单位熵产数Ns;单位熵产数Ns随液膜雷诺数Re的变化比较小。通过分析,降膜蒸发的单位熵产分析法对于最大限度地减少不可逆损失、提高能量利用率等方面具有指导意义。     

表面弹性和分离压耦合作用下的垂直液膜排液过程

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑表面弹性和分离压耦合作用的基础上,采用润滑理论建立了液膜厚度、表面速度和活性剂浓度的演化方程组,通过数值计算分析了表面弹性和分离压单独作用和耦合作用下的液膜演化特征.结果表明:表面弹性与分离压均对垂直液膜排液过程有显著影响.表面弹性单独作用时,液膜初始厚度随弹性增大,黑膜仅在液膜顶部形成,长度较短且不能稳定存在;分离压单独作用时,活性剂随流体不断汇集在底端,液膜表面无法形成表面张力梯度,不发生逆流现象;当二者耦合作用时,可得到较稳定的液膜,排液前期增加表面弹性可提高液膜的厚度、降低表面速度和促使液体逆流,从而减缓排液过程;后期出现黑膜后,分离压中的静电斥力起主要作用,延缓液膜"老化".     

Effect of nanofluids on thin film evaporation in microchannels

A thin film evaporation model based on the augmented Young–Laplace equation and kinetic theories was developed to describe the nanofluid effects on the extended evaporating meniscus in a microchannel. The nanofluid effects include the structural disjoining pressure, a thin porous coating layer at the surface formed by the nanoparticle deposition and the thermophysical property variations compared with the base fluid. The results show that the nanofluid thermal conductivity enhancement mainly due to the Brownian motion tends to greatly increase the liquid film thickness and the thin film heat transfer. The structural disjoining pressure effect tends to enhance the nanofluid spreading capability and the thin film evaporation. The nanoparticle-deposited porous coating layer improves the surface wettability while significantly reducing the thin film evaporation with increasing layer thickness due to the thermal resistance across this layer. The nanofluid thermal conductivity enhancement together with the structural disjoining pressure effect can not counteract the thermal resistance effects of the porous coating layer when the coating layer thickness is sufficiently large.     

分离压和表面黏度的协同作用对液膜排液过程的影响

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,在考虑分离压作用的前提下,引入随活性剂浓度变化的表面黏度模型,应用润滑理论建立了液膜厚度、活性剂浓度和液膜表面速度的演化方程组,通过数值计算分析了常表面黏度和变表面黏度情形下的液膜演化特征.结果表明:表面黏度是影响液膜排液过程的重要因素,当不考虑表面黏度时,液膜表面呈"流动"模式,反之呈"刚性"模式,且随表面黏度增加,液膜排液速率明显减缓.分离压对"黑膜"的形成至关重要,分离压单独作用时,其形成的"黑膜"长度较短,而只考虑表面黏度时,则不能形成稳定的"黑膜".而在二者协同作用下,液膜中部形成了向下扩展、厚度很薄但非常稳定的"黑膜",且"黑膜"厚度、出现时间均随表面黏度的增大而增加.当考虑活性剂浓度对表面黏度的影响时,表面速度受此影响显著;在形成"黑膜"长度及出现时间方面与相应常表面黏度的情形基本类似,但其"黑膜"厚度小于相应常表面黏度,故在液膜排液过程中更容易发生失稳.     

3D Large scale Marangoni convection in liquid films

We study large scale surface deformations of a liquid film unstable due to the Marangoni effect caused by external heating on a smooth and solid substrate. The work is based on the thin film equation which can be derived from the basic hydrodynamic equations. To prevent rupture, a repelling disjoining pressure is included which accounts for the stabilization of a thin precursor film and so prevents the occurrence of completely dry regions. Linear stability analysis, nonlinear stationary solutions, as well as three-dimensional time dependent numerical solutions for horizontal and inclined substrates reveal a rich scenario of possible structures for several realistic fluid parameters.     

随活性剂浓度变化的分离压对垂直液膜排液过程的影响

针对含不溶性活性剂的垂直液膜排液过程,基于文献实验结果进一步完善了受活性剂浓度影响的分离压(disjoining pressure)模型,应用润滑理论建立了液膜厚度、活性剂浓度和液膜表面速度的演化方程组,通过数值计算分析了在不同分离压作用下含不溶性活性剂液膜的演化特征.结果表明,垂直液膜的排液过程通常经历两个阶段:首先是厚膜阶段,此时重力对排液过程起主导作用.在随后的薄膜阶段,毛细作用和分离压作用影响逐渐增大,其中分离压将控制液膜的演化历程.分离压对垂直液膜排液过程的影响与活性剂类型及活性剂浓度与静电作用力的关联强度密切相关.当分离压与活性剂浓度正相关时,随斥力关联系数α增大,液膜的排液和变薄过程得以减缓,由此增强了液膜稳定性;当分离压与活性剂浓度负相关时,随斥力关联系数α绝对值增大,液膜排液过程加速,由此加大液膜失稳的风险.     

连续凹槽基底对含非溶性活性剂薄液膜流动特性的影响

针对连续凹槽基底上含非溶性活性剂液膜的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和活性剂浓度演化模型, 利用PDECOL程序数值模拟得到了液膜流动的动力学特征及基底结构参数的影响. 研究表明: 活性剂液膜流经连续凹槽时, 负向台阶处形成凹陷, 正向台阶处形成隆起, 且随时间逐渐增大; 与平整基底相比, 连续凹槽下的活性剂液膜铺展速度加快; 基底凹槽的高度增加或斜度减小可加速液膜破断的可能性; 增大凹槽宽度可促进液膜流动; 减小斜度会使液膜进入第一凹槽前形成隆起特征; 重力在液膜的爬坡和下坡过程中具有相反的作用, 但均使得流动稳定性变差; 分子间作用力形成的结合压可加速液膜流动, 进而引发去湿润现象, 分离压则与之相反. 关键词： 活性剂液膜 非平整基底 铺展 分子间作用力     

毛细管内薄液膜轮廓和传热特性研究

本文认为毛细管的相变传热机理为液膜的导热和表面蒸发;表面蒸发受蒸汽温度、汽液界面的温度以及汽液压力差的共同控制。汽液流动机理为流动受脱离压力梯度、毛细力梯度支配。汽液相互作用机理为存在由于蒸发导致的动量转移切应力和由于汽液流速不同产生的摩擦切应力。提出的物理模型中较为全面地考虑了毛细管内传热、汽液流动及其相互作用。对毛细管半径和传热功率对薄液膜轮廓和传热特性影响程度的计算结果表明,随着毛细管半径的减小、传热功率的增大,蒸发界面区的长度会有所减小,这是针对微小空间得出的不同于常规情况的结论。     

Influence of the ambient medium on the disjoining pressure of liquid metallic films

We have found the electron density of states in a thin liquid metallic film for an arbitrary form of the boundary conditions for the wavefunctions of the electrons on the film surface. Assuming a Fermi distribution of the electron energies, we have calculated the thermodynamic characteristics of the film and determined the electronic component of the disjoining pressure. It has been shown that the ambient medium and the state of the surface determine the value and the sign of the electronic component of the disjoining pressure. We have determined the conditions for which a stable state of liquid metallic films is ensured.     

壁面涂层构型对垂直降膜流动特性的影响

利用特种表面涂层材料对实验管壁进行改性,使液膜形成沟流,实现液膜的内外表面溶液重新掺混;管外涂层的不同构型形成表面张力梯度表面,在吸收过程中可引导液滴向液膜方向运动,促进液膜扰动,从而达到强化传质的目的.通过液膜流动的可视化照片和液膜波动特性的实验结果,对不同状况下的流动形态进行初步分析.