固体表面上流动膜沸腾与液滴蒸发机理研究的新进展

当单个液滴落在温度超过某一临界值的炽热固体表面上时,液滴会像弹性球一样跳跃,并伴随着液滴表面蒸发而滴径逐步缩小.这种现象由J.G.Leidenfrost在1756年所发现,是物理学上著名的“球化态”奇异现象,称为Leidenfrost现象.出现此现象的热表面临界温度则称为 Leidenfrost温度(LFT).不同液体在不同压力下和不同表面状况的LPT是不同的.常压下水在一般平整度的钢铁表面上的LFT大约为300℃.液滴大小不同时所呈现的Leidenfrost现象也会有差异.滴径较大的液滴撞击温度超过LFT的热表面时,将克服表面张力的制约而伸展成圆盘状,悬浮在炽热固体…     

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.     

高温壁面上静止液滴的Leidenfrost温度模型研究

本文以高温壁面上的静止液滴为研究对象,对其蒸发特性开展了理论研究。不同计算工况下得到的液滴蒸发过程中半径和蒸汽膜厚度变化与实验值吻合良好。结果表明随着壁面温度的降低,蒸汽膜厚度逐渐减小。结合表面粗糙度的影响,研究中提出了Leidenfrost温度的触发机制:当蒸汽膜厚度足够小时,会极易被加热表面的不平整突起贯穿,蒸汽膜的稳定性遭到破坏,从而导致液滴-壁面的直接接触,最终结束膜态沸腾状态。利用此模型预测的Leidenfrost温度与实验值吻合良好,并从理论角度解释了环境压力对Leidenfrost温度的影响机制。     

电场作用下纳米流体液滴在超疏水热表面蒸发特性的研究

本文研究了平行电场中超疏水热表面上氧化石墨烯纳米流体液滴的蒸发特性.利用可视化技术捕捉了液滴接触角、接触直径及瞬态相界面的变化.实验发现平行电场能够将液滴沿电势梯度方向拉伸成椭球状,并可以调控蒸发过程中液滴接触直径的变化过程及大小.当液滴接触直径收缩比减小至某一临界值后,将出现一种新的蒸发模式:接触角与接触直径均保持不...     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

激光手术喷雾冷却中单液滴蒸发理论模型的比较

制冷剂喷雾可对激光治疗葡萄酒色斑过程进行有效冷却以保护表皮不受热损伤,其瞬态喷雾冷却过程涉及复杂的液滴蒸发、强烈的对流换热和质量传递.本文对描述制冷剂喷雾平衡蒸发阶段单个液滴蒸发的理论模型进行改进,比较了基于各种假设的七个气相传质模型对R-134a喷雾冷却过程中单个液滴蒸发特性的影响,发现考虑过热影响的气相模型所预测的蒸发过程最接近实验结果,用该模型研究了液滴初始直径和速度等参数对液滴蒸发特性的影响.     

“神舟”四号中的流体物理实验

在多年地基研究的基础上 ,作为载人航天工程应用系统的有效载荷 ,在我国“神舟”四号飞船返回舱在轨飞行期间进行了大Marangoni数 (Ma)液滴热毛细迁移空间微重力实验 .实验中FC - 75液和 5cst硅油分别为滴相和连续相实验流体介质 ,研究了在稳定、长时间的微重力环境中 ,不同温度梯度条件下液滴热毛细迁移的现象及特征 .Marangoni数到达 5 5 0 0 ,很大地扩展了过去液滴热毛细迁移实验的Ma参数范围 .实验结果表明 ,大Ma数液滴热毛细迁移特征规律复杂 ,迁移速度与YGB模型线性预测有明显的差别 .文章介绍了液滴热毛细迁移研究进展 ,给出了此次空间实验的一些主要结果 .讨论了大Ma液滴热毛细迁移的特征 ,并对自行研制的空间实验设备、实验过程进行了简要介绍     

倾斜均质表面上等径水滴聚合过程的可视化实验

对倾斜均匀表面上等直径水滴的聚合过程及特性进行了可视化实验研究,获得了水滴直径和表面倾角等参数对液滴聚合过程中液滴液桥半径、接触角和接触线变化特性的影响,分析了水滴聚合对其运动的影响.实验结果表明:表面倾角越大,下滑的临界半径越小;液滴的直径越大,液滴聚合后越容易下滑;液滴聚合可以加快液滴的运动,使下滑临界半径减小.     

燃油液滴蒸发的一维导热模型与压力效应

考虑液滴内一维瞬态导热以及液滴,气流热物性随温度与组分的变化,建立了对流热环境中燃油液滴的蒸发计算模型.以柴油液滴为例,通过数值模拟,分析了蒸发过程中液滴内部的瞬态热响应,考察了不同条件下的环境压力效应.结果表明,对流蒸发过程中,燃油液滴内部温度梯度很大,导热作用明显;在温度不同的气流环境中,环境压力效应存在非单调性;压力效应发生转捩的气流温度与液滴初始粒径和气流速度相关.     

受限胶体液滴蒸发过程中胶体颗粒沉积过程观察

亲水玻璃基片在掩模板的保护下, 通过喷涂超疏水层, 得到了被疏水层包围的圆形亲水区域. 胶体液滴在这一区域被很好地限制, 并且液滴体积可以在较大范围内变化, 体积的变化可以改变液滴与基片的表观接触角. 通过显微观察手段原位观察了表观接触角为疏水的受限胶体液滴蒸发过程中粒子沉积行为. 在整个蒸发过程中, 受限液滴边界被钉扎在亲疏水交界处. 粒子沉积过程中, 驱动粒子的液滴内部流动会发生变化. 粒子沉积图案形成过程由三种流体行为控制, 最初, Marangoni效应占主导作用, 驱动粒子在液滴表面聚集, 随之沉积到液滴边缘; 随着蒸发进行, 当接触角变小(<60°)时, 由于边界蒸发速度更快导致的毛细补偿流使得粒子直接向边界沉积. 在干燥的最后阶段, 亲水区域内的液层变得很薄, 只有一单层粒子存在于这一薄液层中, 蒸发继续进行时, 薄液层发生失稳使得粒子迅速聚集而形成网络化图案, 由于粒子间距变小, 球间的液桥毛细力也会参与到这一聚集过程中.     

加热基板上硅油液滴蒸发诱发的Marangoni对流失稳现象实验研究

实验观察了加热基板上0.65cSt硅油液滴蒸发过程Marangoni对流失稳现象及其演变规律,测量了Marangoni对流失稳的临界条件,分析了润湿半径和Ma数对液滴内Marangoni对流稳定性的影响。结果发现:只有当液滴的接触角减小到某一临界值以下时,液滴内才产生Bénard-Marangoni对流涡胞,涡胞呈"花瓣"状,液滴顶点处较尖细,三相接触线附近为圆弧形,涡胞相互挤压处呈直线形。随着蒸发的进行,涡胞变短变粗。涡胞数随润湿半径、Ma数的增大而增多。产生Bénard-Marangoni对流涡胞的临界接触角θ_c随Ma数的增大而增大。液滴边缘处始终为热毛细对流,无Bénard-Marangoni对流涡胞。     

环境温度对掺水乳化柴油蒸发的影响研究

本文采用挂滴法研究了掺水质量分数30%(W30)的乳化柴油单液滴在573 K、673 K、773 K和873 K下的蒸发特性。结果表明,随着环境温度升高,归一化平方直径先增加后减小,首次微爆时刻逐渐小于进入准稳态时刻,而微爆频率先减小后增加,其微爆强度也先减小后增加,773 K是转捩点温度。本文还发现随着环境温度的升高,液滴气泡成核从单位点成核逐渐演变为多位点成核,并导致了大气泡形成过程从与强微爆过程重合过渡到与弱微爆过程重合,最终与强微爆和弱微爆过程分离。     

液滴在竖直表面上的蒸发速度及其形态

引论 在低重力条件下,表面张力将起主要作用。最近,由于两项重要应用而激发起了低重力条件下关于界面稳定性方面的Marangoni效应的新的研究兴趣。这两项应用即:低重力的航天实验室条件下金属融炼处理及材料纯度的测定。本文涉及的是竖直表面上挂滴的浮升-热毛细不稳定性及确定蒸发速度的方法。当一个液滴被置于一个竖直表面上时,重力使之变形而成为一个薄液层下挂一个“泪头”。本文使用激光阴影法对这一薄液膜及其“泪头”的界面稳定性作了可视化研究并确定了这两部分液体的体积变化历程。     

苄基叠氮化合物液滴蒸发特性试验研究

为了探究叠氮复合柴油实现快速燃烧的根本原因,本文在挂滴试验装置上利用高速摄像技术观察了初始直径为1.42 mm的苄基叠氮化合物液滴蒸发过程中的形态变化,研究了环境温度对液滴蒸发特性的影响。试验结果表明当环境温度达到苄基叠氮化合物发生液相化学反应的温度时,液滴的蒸发特性将发生根本改变,而且在液滴蒸发过程中观察到了液滴变形、气泡产生和膨胀、喷气、微爆等四种主要现象,这一强烈的反应是液滴内部的苄基叠氮化合物在液相中分解高速释放出的N_2所引起地。     

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。     

水平管油水分散流液滴粒径及其分布规律研究

油水两相分散流是油水混输管道常见的流型之一,液滴是油水分散流的主要特征,液滴在油水两相管路中受到湍流惯性力、剪切力、界面张力、黏性力等多种力的作用而发生聚结和破裂,从而形成不同的液滴粒径及其分布。本研究采用高速摄像和显微照相两种方法研究了水平管中油水分散流的液滴粒径随混合流量、温度和含油率等参数的变化规律,并利用三种概率分布函数研究了液滴粒径的分布特性。研究结果表明:分散相液滴的Sauter平均直径随混合流量的增加而逐渐减小、随温度升高而逐渐增大、随含油率的增大而增大;液滴粒径的分布规律与Log-Normal和Frechet概率分布函数符合较好。     

倾斜粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的动力学特性

针对倾斜随机粗糙壁面上含不溶性活性剂溶液的流动过程, 采用润滑理论建立了液膜厚度和浓度的时空演化模型, 通过PDECOL程序数值求解得到了液膜流/液滴铺展的动力学特性及壁面结构参数的影响. 研究表明: 在重力分量和Marangoni效应共同作用下, 液膜流/液滴铺展速度加快, 液膜边缘和液滴中心出现毛细隆起, 液膜/液滴底部出现凹陷, 同时受粗糙壁面影响, 液膜表面变形更显著. 增加壁面倾角θ具有使重力分量和Marangoni效应增强, 导致隆起和凹陷程度均有所增加的作用. 增大壁面高度D可使液膜流/液滴铺展速度加快, 表面变形放大. 而壁面波数k₀则使液膜流/液滴铺展过程减缓, 抑制隆起和凹陷产生. 与液膜流相比, D和k₀对液滴铺展速度的影响相对较小. 关键词： 随机粗糙壁面 液膜 Marangoni效应 倾斜流动     

完全膜沸腾表面汽化率的测量及数值分析

通过在高温铜板表面上滴加酒精可产生稳定的完全膜沸腾现象.测量了液滴体积与完全汽化时间曲线,得出完全膜沸腾时,下表面的蒸发占体积减少的主要部分,并通过建立数学模型确定了下表面蒸汽膜处的蒸发速率.     

电场对协流式微流控装置中乳液液滴生成行为的调控机理

建立了直流电场作用下协流式微流控装置中单乳液液滴乳化生成过程的非稳态理论模型,并开展了数值模拟研究,揭示了电场对液滴乳化生成动力学行为的调控机理,阐明了流场/电场参数对液滴乳化生成特性的影响规律.研究结果表明:沿流体流动方向施加静电场可在电物性参数不同的两相流体界面法线方向上产生指向内相流体的电场力,进而强化了内相流体界面的颈缩和断裂,提升了液滴生成速率和形变程度,减小了液滴生成尺寸;在同一毛细数下,随着电毛细数的增大,乳液乳化流型由每周期仅有单一液滴生成的滴式流型转变为每周期有一个主液滴并伴随有卫星液滴生成的滴式流型;随着毛细数和电毛细数的增大,黏性拖曳力以及电场力作用增强,使内相流体颈缩过程后期更容易形成细长型液线,从而有助于诱发液线上产生Rayleigh-Plateau不稳定现象,继而促进卫星液滴的形成.     

溶液液滴蒸发变干的环状沉积

液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO₂小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离. 关键词： 液滴 接触线 蒸发 颗粒