滴状冷凝过程液滴自由表面温度场分析

对于滴状冷凝过程及其传热强化机理, 一般通过分析冷凝壁面上液滴分布和运动规律进行研究, 并且将单个液滴视为稳定的个体, 很少涉及液滴内部运动特征. 本文通过红外热像仪观测了纯蒸气滴状冷凝过程中, 液滴运动时自由表面温度场的演化过程. 发现在疏水壁面上, 液滴由于合并或脱落而发生移动过程中, 其自由表面温度先降低, 而后升高并高于移动前温度. 通过分析疏水表面上液滴移动过程的物理模型, 认为液滴移动时表面液膜发生履带式滚动现象, 或者发生液滴内部与自由表面附近的液体间形成对流和掺混现象. 对液滴运动时表面温度演变规律的分析表明: 触发液滴表面发生持续冷凝可能需要克服一个临界过冷度, 当气液间温差超过该临界值时才诱发冷凝; 液滴合并或脱落等整体运动过程, 导致了液滴内部的运动特征, 并促进了较大尺寸液滴表面发生直接冷凝, 这为强化冷凝传热的研究提供新的思路.     

低压蒸汽滴状冷凝表面温度分布实验研究

本文利用自组装技术制备了铜基十八烷基硫醇疏水表面(SAM),通过红外热像仪分析了低压条件下液滴表面和换热表面的温度分布以及液滴脱落引起的温度分布演变。实验结果表明:低压蒸汽冷凝条件下,冷凝表面局部温度分布不均匀;单个液滴表面温度呈中心高边缘低的凸型分布;随着液滴半径的增加,液滴表面温度升高;相同操作压力下,随着过冷度的增加,液滴表面温度降低。在液滴脱落过程中,液滴表面温度逐渐升高,同时裸露出的换热表面局部过冷度增大,局部表面温度呈现出中心低周围高的凹型温度分布,随之恢复到液滴脱落前的温度。随着蒸汽压力降低,冷凝临界过冷度增加,导致裸露表面上具有更低温度的中心区域核化点密度高,最终加剧了整个换热表面液滴尺寸分布的非均匀程度。     

低压蒸汽滴状冷凝过程中液滴生长特性

研究了低压条件对滴状冷凝过程液滴生长特性的影响。首先,研究了超疏水表面上空气环境和蒸汽环境中附着液滴的接触角,发现蒸汽环境中的接触角比空气环境中的小,而蒸汽压力对接触角没有显著影响。第二,实验研究了冷凝过程中的液滴的生长周期和脱落尺寸,液滴的脱落半径随压力的降低而增大,生长周期也随之延长。第三,实验研究了液滴合并生长速率,并结合理论分析直接冷凝长大的生长速率,直接冷凝生长速率随压力的减小而减小,并随过冷度的减小而下降,而实验范围内合并生长速率不受压力影响。第四,根据滴状冷凝液滴分布的时间序列模型,分析了不同压力下液滴生长的临界尺寸,随着压力的降低,液滴生长方式的临界尺寸增大。     

蒸汽剪切驱动液滴行为的格子Boltzmann模拟

滴状冷凝过程中,存在蒸汽流动对液滴的吹扫作用,液滴在蒸汽剪切作用下克服壁面黏附变形和运动,液滴运动速度越大,冷凝传热性能越高。但是液滴在蒸汽作用下变形和运动的细节还不清晰,蒸汽速度对液滴变形和运动的影响机理还不明确。本文采用自由能格子Boltzmann方法研究了在不同蒸汽速度剪切作用下,液滴在具有不同润湿性固体表面上的变形和运动过程,分析了蒸汽速度和接触角对液滴变形和运动的影响机制,结果显示随着蒸汽速度的增加,液滴变形越大,液滴在固体表面的运动速度越大,停留时间越短,有利于液滴的移除和表面更新,相同蒸汽速度的作用下,液滴在接触角大的固体表面上变形和运动速度越大,也有利于液滴的移除和表面更新。从而定性或半定量地揭示了蒸汽速度影响蒸汽滴状冷凝传热的物理机制。     

蒸汽冷凝过程中团簇及微液滴尺寸分布演化

将瞬态团簇尺寸分布模型引入蒸汽冷凝体系,通过求解描述团簇增长的动力学方程,模拟研究了特定冷凝条件下团簇及微小液滴尺寸分布的演化特征。模型结果表明,核化过程中,团簇/微液滴尺寸分布迅速从单调递减式分布转变为近似正态分布特征。随着时间延长,尺寸分布的峰值向团簇/微液滴尺寸增加的方向移动。在壁面冷凝过程中,核化生成的最小液滴也具有一定分布,进一步完善了经典冷凝理论中对初始冷凝过程液滴分布和演化过程的描述。同时模拟结果与文献报道的微米级液滴生长演化趋势相似,表明较大尺寸液滴分布特征是核化阶段团簇/微液滴尺寸分布特征进一步演化的结果,揭示了冷凝过程液滴尺寸分布演化的微观物理本质。     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

滴状冷凝传热的多尺度规划与最佳接触角

滴状冷凝传热过程具有典型的多尺度特征,一方面体现于壁面上液滴尺寸分布的空间多尺度特征以及液滴生长过程的时间多尺度分布,另一方面体现于冷凝壁面物理化学特性以及液固相互作用特性的描述和量度上的多尺度特征.本文基于包含界面效应影响的滴状冷凝传热模型,分析了液滴尺寸分布的多尺度特征及其对滴状冷凝传热性能的影响,并通过分析液滴尺...     

蒸汽冷凝过程的分子团聚模型及其对不凝性气体影响传热性能的解释

根据相变过程的微观物理机理和热力学特性,提出了冷凝传热过程中,近壁面蒸汽分子经由团聚阶段进而冷凝成宏观液滴的物理模型.并将团聚体分布与滴状冷凝传热性能相联系,从而研究不凝性气体对滴状冷凝传热过程的影响.在改进的Dillmann和Meier(DM)模型基础上,将分子团聚过程中的临界过饱和度与冷凝过程中的过冷度相联系,以及将团聚体的能量特性与液固界面物理化学特性相联系,将团聚模型与考虑固液界面效应的滴状冷凝传热模型相联系,建立了近壁面条件影响的分子团聚模型.利用模型计算了近壁面蒸汽中团簇体尺寸和分布,以及不凝性气体存在导致的蒸汽冷凝团聚体分布的变化,并结合滴状冷凝传热模型,定量解释了少量不凝性气体的存在,极大影响了冷凝传热性能的现象.模型计算结果与实验结果及文献中含不凝气的蒸汽冷凝传热实验数据进行了比较,两者符合较好,验证了所提出模型的合理性.     

小液滴撞击壁面传热特性数值分析

小液滴撞击壁面现象在喷雾冷却等领域都有广泛应用.为研究小液滴(微米)撞击热壁面(非沸腾区)传热过程,建立了二维液滴撞壁瞬态模型,并采用相场方法对小液滴换热过程中对流热通量和导热热通量的大小进行了对比.研究结果表明:液滴撞击壁面初期形成“冷斑”,有利于小液滴与壁面的传热;小液滴撞击壁面过程中热通量峰值存在于三相接触点附近,数量级在105—106 W/m²;小液滴撞击壁面过程中受壁面浸润性和液滴尺寸对传导热通量的影响较为显著,而速度和液滴尺寸对对流热通量的影响较为显著;大多数情况下,小液滴撞击壁面传导热通量数量级在103—105 W/m²,对流热通量数量级在104—106 W/m²,对流热通量大于传导热通量,在整个换热过程中占据主导地位.     

水蒸气在垂直钛板表面的冷凝传热特性

对水蒸气在垂直钛板表面的冷凝传热特性进行了可视化实验研究。实验结果表明,蒸汽在钛表面为液滴和沟流状液膜共存的混合冷凝形式。随着表面过冷度的增大,滴状区所占的面积比η逐渐减小,且液滴的脱落直径逐渐增大,导致表面的冷凝传热系数随之下降。η值大于50%时,冷凝传热系数随滴状区所占面积比的减小而陡降,滴状区面积小于膜状区后,η值对冷凝表面传热性能的影响较小。     

差异化疏水铜表面的冷凝传热实验研究

为研究差异化疏水结构表面蒸汽滴状冷凝传热特性,首先在铜表面通过化学刻蚀法制备了不同的CuO与Cu(OH)_2微纳米复合微结构,通过十八硫醇自组装进一步修饰后,获得了具有不同静态接触角和表面能的差异化疏水表面。实验研究了不同微结构及其接触角对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微结构表面的合并、脱落过程进行了可视化研究。结果表明,接触角相近、微结构不同的CuO-Ⅰ与Cu(OH)_2表面冷凝传热性能相近,约为光滑表面的1.5倍。接触角为125°的CuO-Ⅱ表面的冷凝传热性能明显高于CuO-Ⅰ表面,约为光滑表面的3倍。同时,相同过冷度下,CuO-Ⅰ表面冷凝液滴的合并与脱落频率明显低于CuO-Ⅱ表面。     

组合表面高不凝气蒸汽冷凝的数值研究

基于不凝气工况下选择合适蒸汽冷凝润湿性表面，采用ANSYS Fluent软件分别对30°、60°和90°接触角表面及相应组合表面上的冷凝进行了模拟。研究了25%不凝气含量下液滴的成核、合并机制及不同润湿性表面液滴生长周期内的冷凝传热性能，可视化分析了均匀润湿性表面不凝气边界层内液化核心的生成及冷凝液滴的动力学特征，半定量描述了均匀润湿性和组合润湿性表面上瞬态热流密度的分布及其影响机制，为含不凝气工况下不同润湿性冷凝表面的选择及传热强化提供了研究思路。     

滴状凝结全过程液滴尺寸分布数值模拟

研究液滴在冷凝表面的尺寸分布特征,不仅有助于了解冷凝表面换热机理,同时也为疏水表面的设计提供参考依据。本研究中,借助于液滴生长、合并和脱落全过程的数值模拟方法,研究液滴凝结核密度和液滴脱落尺寸对液滴尺寸分布的影响。模拟中采用热阻模型对液滴生长进行描述,利用链表搜索算法加速液滴聚合及新凝结核确定的搜索过程,再现大液滴脱落和表面清扫过程。模拟结果与实验结果及理论模型吻合良好。模拟结果表明,随着凝结核密度增大,小液滴数密度相对增加,液滴平均半径减少;随着液滴脱离半径减小,液滴尺寸范围减小,液滴尺寸分布整体升高。     

PMMA低温表面液滴凝结过程的实验研究

为了解不同温度下有机玻璃(PMMA)表面蒸汽凝结相变、液滴生长以及传热的过程,对有机玻璃表面的液滴冷凝过程进行了可视化实验观测,将液滴的凝结形态、面积率、接触角及尺寸变化等参数进行了分析并绘制出变化曲线,发现蒸汽在有机玻璃表面凝结时可形成颗粒分明的珠状液滴,凝结时间越长液滴直径越大;底板温度越低,面积率越大,接触角越大。控制以上变量可以有效改善蒸汽凝结效果,有利于提高热量传递效率,为液滴相变(汽-液)特性和换热表面结霜除霜技术提供理论支持。     

纳米结构表面上部分润湿液滴合并诱导弹跳的理论研究

部分润湿液滴是适宜纳米结构表面上滴状冷凝传热的主要载体,研究纳米结构参数与部分润湿液滴合并弹跳之间的关系有重要意义,本文依据冷凝液滴生长过程中能量增加最小的原理来判断其是否为部分润湿状态,并根据液滴合并前后的体积和界面自由能守恒,确定了合并液滴的初始形状,进而对合并液滴变形过程的动力学方程进行了求解,结果表明:部分润湿冷凝液滴仅在纳米柱具有一定高度、直径间距比较大的表面上形成,而当纳米柱高度过低、直径间距比小于0.1时则形成完全润湿的冷凝液滴;液滴合并后能否弹跳与纳米结构参数紧密相关,仅在纳米柱较高、直径间距比适宜的表面上,部分润湿液滴合并后才能诱发弹跳;液滴尺度及待合并液滴间的尺度比对合并弹跳也有重要影响;多个部分润湿液滴合并后由于具有更多的过剩界面自由能而比两个液滴合并更容易诱发弹跳,本模型对纳米结构表面上冷凝液滴是否合并诱发弹跳的计算结果与绝大部分实测结果相一致,准确率达到95%。     

接触角滞后对组合表面液滴运动的影响

本文通过控制NaOH和(NH_4)_2S_2O_8溶液的刻蚀时间,制备了具有不同接触角滞后超疏水区的0.5 mm-0.5mm超疏水疏水组合表面,可视化研究了常压纯蒸汽下液滴脱落半径,冲刷周期,尺寸分布.电镜表征结果表明,刻蚀时间越长,所制备超疏水表面的微纳结构越细,导致液滴接触角滞后增加。在0.5 mm-0.5 mm超疏水-疏水组合表面冷凝过程中,存在两种排液行为:液滴横向抽吸和液滴跨区脱落。随着超疏水区接触角滞后的增加,对液滴的抽吸作用越强。液滴跨区脱落直径随着超疏水区接触角滞后的增加有减小趋势,表面冲刷周期随超疏水区接触角滞后的增加而减小;与完全疏水表面相比,组合表面疏水区域液滴尺寸较小,主要集中在50μm以内。     

滴状冷凝过程壁面反射光谱的分子团聚模型分析

根据反射光谱可用于分析固体表面介质凝聚状态的原理,理论分析了不锈钢表面上不同厚度薄液膜对表面反射率的影响,确定了在冷凝过程中该表面上冷凝液形成和更新过程导致相应反射率变化的范围. 通过分析滴状冷凝实验过程反射光谱的文献数据,研究了滴状冷凝过程壁面上蒸气分子凝聚特征,发现在实际的滴状冷凝传热过程中,液滴脱落后形成的裸露表面上存在反射特征介于液膜与体相蒸气分子之间的介质. 结合蒸气冷凝过程的分子团聚模型,得到了在滴状冷凝过程中近壁面附近的蒸气分子形成分子团聚分布的合理性. 此外,分析发现表面微观结构将改变团聚体分布密度,从而影响冷凝核化过程的现象. 这为冷凝传热强化方法的研究提出了新的思路. 关键词： 分子团聚 反射光谱 滴状冷凝     

疏水表面结霜融霜过程中液滴行为研究

研究了自然对流条件下具有微纳结构铝基疏水表面上结霜、融霜过程中液滴的动态行为,分析了表面方位及接触角对冻结前冷凝和融霜后排液的影响。结果表明:水平疏水表面上冷凝液滴的直径和基底直径随时间而增加,液滴的接触角随时间的变化有一定波动,但呈减小趋势;放置一液滴在疏水表面上冷凝时,周围形成的小液滴以该液滴为中心,离它越远,小液滴尺寸越大;融霜后疏水表面上呈现规则的球缺状液滴,而裸铝表面上是不规则的液滴。     

超疏水表面上多液滴合并触发液滴弹跳现象的理论分析

超疏水表面上由冷凝液滴的合并触发的液滴弹跳现象在自清洁、强化传热、防结霜等工程领域均有广阔的应用前景。本文建立了一个能量模型以分析多液滴合并触发的液滴弹跳现象。依据本文模型,在液滴弹跳过程中,涉及到表面能、黏性耗散、重力势能、阻滞功、振动动能和平动动能等能量形式的变化及转换,当有更多的表面能转化为平动动能时,液滴弹跳速度会更快。结果表明,多液滴合并能够释放更多的表面能,分布更集中的液滴之间的合并有利于获得更多的平动动能,使液滴弹跳速度更大。此外,存在最小的临界液滴半径和半径比,小于该半径或半径比时,不会发生液滴弹跳。随合并液滴数量的增加,该最小的临界液滴半径和半径比均减小。     

冷凝过程中浸润性对液滴行为影响的模拟研究

冷凝过程中,对单个液滴的运动行为进行分析具有重要的意义,因为冷凝面上整体传热量的计算是以单个液滴的形态及动力学行为为基础的。在众多单液滴动力学行为的影响因素中,壁面浸润性占有一定主导作用,但是目前对单个液滴的分析还是基于一定假设条件下的理论分析。针对此问题,本文基于格子Boltzmann方法,并采用多松弛碰撞模型,开展了浸润性对单个液滴动力学行为影响的数值模拟研究。对液滴动力学行为的研究表明,亲疏水表面具有不同的液滴脱离形态,且在液滴的不同生长阶段,发生冷凝的位置也不同。对液滴脱离直径的分析表明,在亲水表面上,理论预测值要大于模拟计算值,而在疏水表面上二者吻合较好。