加热基底上附壁液滴蒸发动力学实验研究

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度波动、热流体波及Bénard-Marangoni流胞,而水滴表面则没有明显温度波动。随着基底温度升高,液滴内部热对流增强;随着液滴高度降低,乙醇液滴蒸发速率先减小、后增大,而水滴蒸发速率则无明显变化。实验结果证实热对流对液滴蒸发速率具有明显促进作用。     

固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流数值模拟

考虑蒸发冷却效应、气相物质扩散、气液两相传热及界面变形,采用任意拉格朗日-欧拉法数值模拟研究了接触角θ、蒸发数Ec、Ma数对0.65cSt,硅油液滴固定接触角模型蒸发及Marangoni对流的影响。发现:液滴无量纲体积V~*变化与接触角θ、Ma数有关,而与Ec数无关;且V~(*2/3)随时间线性减少。当θ0.175 rad时,随着Ma数的升高,液滴内部依次出现热毛细涡流结构、单个BM涡流结构及多个BM涡流结构。当0.175 radθ0.479 rad时,存在热毛细涡流结构或多个BM涡流结构或两种同时存在,而无单个BM涡流结构。当θ0.479 rad时,仅存在热毛细涡流结构。当0.105 radθ0.401 rad时,每两种涡流结构的分界Ma数均随θ增大而减少。当θ0.401 rad时,热毛细涡流结构与多个BM涡流结构的分界Ma数随θ增大而增大。     

乙醇蒸汽氛围中水滴蒸发热动力学特性实验研究

为了探究异质蒸气氛围对附壁液滴蒸发过程的影响，采用实验观测的方式分析了低压乙醇蒸气氛围中水滴蒸发热动力学特性。实验结果表明，液滴蒸发冷却效应诱导产生气液界面处的切向温度梯度及液滴内部的法向温度梯度。液滴蒸发初期，切向温度梯度诱导产生的Marangoni流动占据主导地位，自由界面近三相线处温度分布呈齿轮状。随着蒸发的进行，齿轮状热流型逐渐演变为多流胞状结构，并逐渐脱离三相线朝自由界面中心处移动。随着液滴高度的降低，法向温度梯度逐渐占据主导地位，浮力效应诱导产生Bérnard-Marangoni流胞。在低压乙醇蒸气氛围中，乙醇在液滴界面生成溶解热，使得界面热质传递过程更为复杂，观察到多类不稳定流型演化过程。随着初始时刻乙醇蒸气压力的降低，液滴蒸发速率增加，流动不稳定性增强。     

极坐标下Marangoni应力对静止液滴蒸发过程的影响

通过推导液滴在蒸发过程中,边界是否考虑Marangoni应力作用时,其内部流场分布的极坐标解析式,并结合相应的球冠液滴模型,来描述液滴内部的流线分布情况,以及液滴在受到Marangoni应力作用时,极坐标下ρcosα=常数处速度随液滴高度的分布规律。并分别使用实验与数值模拟结果与解析结果进行对比,从而说明解析式的正确性。同时从液滴的流线的分布得出:液滴在蒸发过程中,其内部的流动速率在三相界面处最大,在靠近基板的中心处最小。受Marangoni应力作用的影响,液滴内部在其对称面上产生了环流,其方向在液滴底部是从液滴中心流向三相界面的,同时也说明了Marangoni对流可以抑制"咖啡环"效应。     

零重力点热源马兰戈尼FTM数值模拟

采用界面跟踪法FTM(Front-Tracking Method), 研究点热源流场中由Marangoni效应引起的液滴运动。模拟不同的Marangoni(Ma)数下液滴的运动。研究发现液滴运动速度先迅速增大到稳定迁移速度, 而后下降, 在t=1.2时出现反转, 速度随Ma数的增加而增加。液滴内部存在与Hill球涡相同的回流。随着Ma数的增大, Hill球涡进行分裂, 且涡旋中心有轻微的移动。同时温度场末端拓扑结构出现两次分叉。第一次分叉出现在下临界Ma数, 最低温度点由滞止点跳进液滴内部; 第二次分叉出现在上临界Ma数, 内部的壳型冷却区从中心点破裂, 出现一个环面型冷却区。     

气泡/液滴Marangoni迁移数值模拟研究

本文利用Level Set方法,数值模拟了微重力情况下气泡/液滴的Marangoni迁移现象,分析了Marangoni数对迁移速度的影响。数值模拟结果表明,随着Marangoni数的增大,非线性热对流效应的影响会逐渐增大,导致沿相界面温度分布趋于均匀,从而降低迁移运动的驱动力,使气泡/液滴的迁移速度随Marangoni数的增加而逐渐减小。     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

两相流层的Marangoni-Bénard不稳定性分析

关于液层的Marangoni-Bénard不稳定性的研究中,现有文献中普遍采用的是单层流模型。本文建立了一种新的两层流模型,采用线性稳定性方法对带有蒸发界面的两层流的Marangoni-Bénard对流不稳定性进行了分析,得到了在不同蒸发量下临界Marangoni数与波数的关系,重点讨论了蒸发速率对汽液两层流系统Marangoni-Bénard不稳定性的影响。     

润湿梯度作用下液滴在倾斜表面向上运动的格子Boltzmann模拟

采用基于Shan-Chen伪势模型的格子Boltzmann方法,对液滴在存在润湿梯度的倾斜表面上克服重力、自下而上运动的过程进行模拟。探究润湿梯度、液滴尺寸、Bond数以及表面倾斜角度对液滴运动的影响。计算结果表明：液滴在运动过程中,内部会出现沿斜面向上的速度矢量,润湿梯度越大,液滴运动速度越快,润湿长度也越长,且动态接触角减小速率越快。液滴尺寸和Bond数对液滴运动的影响较小,但存在临界Bond数,超过该临界Bond数时,液滴将沿梯度润湿表面向下运动。表面倾角对液滴运动有显著影响,倾角增大,液滴运动速度和润湿长度都明显减小。     

液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的数值研究

采用CLSVOF方法建立了液滴撞击微尺度矩形沟槽表面的三维数值模型,对撞击过程中的动态特性及传热特性进行了数值研究。分析了液滴在微尺度矩形沟槽表面的润湿状态,给出了液滴润湿状态转变的临界速度。研究了表面接触角及撞击速度对液滴铺展特性的影响。数值研究结果表明:微尺度沟梢结构会使液滴在撞击后产生横纵差异。液滴的最大铺展因子随着撞击表面接触角的增大而减小,随着撞击速度的增大而增大。液滴撞击微尺度矩形沟槽表面后,撞击表面的热流量先增大后减小。撞击表面的最大热流量受到表面接触角与沟槽深度的耦合作用,撞击表面的最大热流量随着表面接触角的增大而减小。     

莱氏悬浮液滴振动模式及形状阈值探讨

针对液滴的"莱顿弗罗斯特效应",在研究悬浮液滴振动模式基础上,探讨了星星状液滴各发展阶段的阈值半径,发现了悬浮水滴各振动模式与半径区间的对应规律.理论和实验指出悬浮液滴被两个阈值分为三种主要模式;半径小于下阈值,悬浮液滴因表面张力缩成水珠状;半径大于上阈值,液滴内外气压差过零,破坏原有振动,表现为液滴底部产生大气泡的现象.悬浮液滴处于两模式间时,形成"莱顿弗罗斯特星",星星角数随半径的增大而线性增加;多角数星星随蒸发进行转变为少角数星星.     

石墨表面熔融硅的润湿行为研究

熔融硅在石墨表面的润湿规律对于超薄硅片的横向拉模制造尤为重要.本文利用COMSOL软件模拟了理想条件下熔融硅在光滑石墨表面的润湿过程,并借助高温高真空接触角测量仪对高温条件下石墨表面熔融硅的润湿性能开展了实验研究.考察了石墨表面粗糙度(R_a=0.721μm与R_a=0.134μm)、环境温度(1737—1744 K)、恒温持续时间(10—30 s)等因素对润湿角的影响.结合固-液、气-液界面的压力、速度分布图,分析了恒定温度、毛细效应下表面张力变化对润湿过程的影响机制.研究结果表明,相同温度下,石墨表面硅液滴的润湿角随石墨表面粗糙度增大而减小.对同一粗糙度表面,润湿角在相同温度下随保温时间的增加略微减小,且变化的幅度随温度升高而减小.当液滴半径远小于5 mm时,表面张力在润湿过程中起主导作用;当液滴半径大于5 mm时,液滴自身重力的影响不可忽略.     

溶液液滴在热等离子体射流中的运动和蒸发

为考察溶液注入热等离子体喷涂过程中喷雾参数对涂层质量的影响,本文建立了溶液液滴在热等离子体中运动蒸发的数学模型。模拟了液滴在不同参数下的运动和蒸发的过程,考虑了液滴、热等离子气流及液滴表面气体混合物随温度及组分的物性变化以及斯蒂芬流的影响,得到液滴的运动轨迹,蒸发速率以及半径和表面温度的变化。结果表明在一定范围内增大液...     

油面上相邻Leidenfrost液滴的相互作用及运动机制

热油面液滴蒸发是自然现象,已有研究侧重于单滴蒸发,对于热油面上多滴蒸发的认识较少.本文研究了热硅油面两个等直径FC-72液滴的Leidenfrost蒸发,油温为74.0—130.0℃,液滴初始直径为1.5 mm,采用红外热成像及高速摄影测量,发现热油面液滴蒸发存在非聚合、弹跳、分离3个阶段.本文理论分析了液滴在水平方向的受力,包括非均匀液滴温度产生的Marangoni力、重力水平分量、润滑推动力、黏性力.尺度分析表明Marangoni力和重力水平分量起关键作用,Marangoni力趋向于液滴分离,重力水平分量趋向于液滴聚合.在非聚合蒸发阶段,重力水平分量克服Marangoni力,但两液滴间存在气膜夹层,解释了两个液滴看似接触但不聚合的现象.随液滴尺寸减小,重力水平分量减小,不足以克服Marangoni力,这是导致蒸发后期两滴分离的主要原因.最后通过将模型得到的不同阶段间的转换时间同测量值进行对比,证实了上述解释.本文研究有助于理解复杂的Leidenfrost液滴动力学现象和机理.     

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.     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

微观结构尺度对液滴润湿状态的影响

在分析表面微观特征对液滴润湿状态的影响时,尺度效应是无法绕过的前提条件和分析基础。本文以矩形微结构表面液滴为研究对象,通过数值模拟,得到了给定微结构表面液滴在不同液滴半径与矩形微结构宽度比例下的润湿状态。此外,本文还模拟得到了液滴完全浸润矩形微结构的临界接触角及其相对于微结构尺寸的变化规律。结果表明,液滴半径与微结构宽度比越小,液滴下气液界面开始浸润微结构时的临界接触角越大,无重力条件下表面液滴下气液界面的稳定性越差。若重力不可忽略,则液滴半径与微结构宽度比越大,重力的影响越大,表面液滴下气液界面的稳定性越差。     

三维倾斜平板液氧降膜润湿数值模拟研究

建立三维倾斜平板降膜模型,利用VOF两相流模型计算了液氧降膜的润湿情况,研究了工质物性、倾斜角、液膜入口高度对润湿面积的影响。结果表明:Weber数(We)相同时,液氧和水的润湿比均随Kapitza数(Ka)增大而减小;相同Ka下,液氧和水的润湿比均随We增大而增大,而液氧润湿比一直小于水润湿比,两者的差值也随We增大而增大。拟合得到液氧在液膜入口高度0.4 mm、接触角70°时的界面润湿比经验关联式,拟合值和模拟值相对误差≤±20%;在We=0.76时,液氧的润湿比随倾斜角增大而减小,但降低速率随Ka增大而减小;在倾斜角为90°时,易出现液膜脱离壁面的现象;当We固定时,液氧的润湿比随液膜入口高度增大而增大。     

介质上电润湿液滴动力学特性的数值模拟研究

在考虑动态接触角的条件下,对液滴在介质上电润湿过程的动力学行为特性进行了数值模拟研究,其中电润湿作用通过在接触线上施加电场作用力实现,动态接触角采用Kilster模型。结果表明:电润湿液滴在类似阻尼振荡的过程中逐渐停止运动,并且出现了"过度润湿"现象;另外,液滴运动时的动态接触角明显偏离静态平衡接触角,表明电润湿液滴动力学数学模型考虑动态接触角的必要性。     

Marangoni珠状凝结液珠半径分布的研究

以水-酒精混合蒸汽在斜块上的Marangoni凝结实验图片为基础,统计分析了不同浓度和过冷度下凝结液珠的半径数目比例分布、平均半径及半径偏差.研究发现:在不同浓度和过冷度下,凝结液珠的半径大部分集中在0.1 mm～0.3 mm半径范围内,占到液滴总数的80%;凝结液珠平均半径随过冷度的增大而增大,随浓度的增大而减小;半...