液滴動態(tài)特性調(diào)控強(qiáng)化冷凝傳熱的研究和LB模擬.pdf

1、蒸汽冷凝由于釋放大量潛熱具有較高的傳熱性能而廣泛地應(yīng)用于石油化工、制冷、發(fā)電、電子、核工業(yè)以及航空航天等領(lǐng)域。滴狀冷凝由于具有比膜狀冷凝高一個數(shù)量級的傳熱性能而受到研究者的青睞。固液和汽液界面效應(yīng)是影響蒸汽冷凝模式及研發(fā)冷凝傳熱過程強(qiáng)化方法的出發(fā)點(diǎn)和關(guān)鍵。對于給定的冷凝表面，液滴的脫落尺寸或最大尺寸是影響滴狀冷凝傳熱性能最重要的因素之一，減小液滴的最大尺寸和加快液滴的運(yùn)動是強(qiáng)化滴狀冷凝傳熱的有效方式。本論文利用組合表面調(diào)控液滴的尺寸和運(yùn)

2、動，實(shí)現(xiàn)滴狀冷凝傳熱的強(qiáng)化。結(jié)合實(shí)驗觀測、理論分析和數(shù)值模擬，從固液界面和汽液界面效應(yīng)出發(fā)，考察了表面構(gòu)型和表面潤濕性對液滴的尺寸及其分布和運(yùn)動的調(diào)控機(jī)理，研究了液滴動態(tài)特性影響蒸汽冷凝傳熱的機(jī)制和傳熱強(qiáng)化的影響因素。
　　實(shí)驗觀測了不同疏水-親水組合表面上蒸汽冷凝時疏水區(qū)液滴的運(yùn)動特性、最大尺寸以及尺寸分布，刻畫了組合表面的組合方式對液滴動態(tài)特性的調(diào)控機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著疏水區(qū)寬度的增加，疏水區(qū)液滴的移除方式會發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)疏

3、水區(qū)寬度小于完全滴狀冷凝液滴脫落直徑時，在親水區(qū)液膜的作用下，疏水區(qū)液滴以自發(fā)地向親水區(qū)遷移的單一方式移除。而當(dāng)疏水區(qū)寬度增加到與完全滴狀冷凝液滴脫落直徑相當(dāng)時，液滴的移除存在兩種方式，一種是向親水區(qū)自發(fā)地遷移，另一種則是在重力下脫落。但在液滴脫落過程中，只要液滴與親水區(qū)液膜接觸，液滴仍然會向親水區(qū)遷移。疏水區(qū)最大液滴半徑隨疏水區(qū)寬度的減小而減小，但小于幾何關(guān)系計算值。同時發(fā)現(xiàn)，隨著疏水區(qū)寬度的減小，疏水區(qū)小液滴數(shù)密度增加，改善了疏水區(qū)

4、液滴的尺寸分布。
　　實(shí)驗觀測了超疏水-疏水組合表面蒸汽冷凝過程中液滴的運(yùn)動特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超疏水區(qū)液滴處于表面粘附大的Wenzel潤濕形態(tài)，疏水區(qū)液滴在超疏水區(qū)液滴的作用下向超疏水區(qū)做定向遷移。疏水區(qū)液滴尺寸由疏水區(qū)寬度調(diào)控。
　　實(shí)驗研究了疏水-親水組合表面和超疏水-疏水組合表面上常壓蒸汽的冷凝傳熱性能。結(jié)果顯示，隨著疏水區(qū)寬度的增加，疏水-親水組合表面的蒸汽冷凝傳熱性能先增加后減小，疏水區(qū)寬度存在最優(yōu)值;隨著親水區(qū)寬度

5、的增加，組合表面?zhèn)鳠嵝阅芙档汀．?dāng)疏水區(qū)和親水區(qū)寬度設(shè)計合適時，疏水-親水組合表面蒸汽冷凝傳熱性能高于完全疏水表面的滴狀冷凝傳熱性能。超疏水-疏水組合表面蒸汽冷凝傳熱性能隨疏水區(qū)面積分率的增加而增加，并且高于相同條件下完全超疏水和疏水表面蒸汽冷凝傳熱性能的面積加權(quán)平均值，說明超疏水-疏水組合表面通過調(diào)節(jié)液滴的尺寸和移除方式強(qiáng)化了疏水區(qū)的冷凝傳熱。
　　基于滴狀冷凝傳熱性能影響因素的分析結(jié)果，結(jié)合滴狀冷凝和膜狀冷凝傳熱模型，分析了滴狀

6、-膜狀組合表面上蒸汽冷凝傳熱性能的強(qiáng)化機(jī)理和影響因素?？疾炝说螤顓^(qū)寬度對滴狀區(qū)傳熱性能、膜狀區(qū)液膜厚度和膜狀區(qū)傳熱性能的影響，同時考慮了膜狀區(qū)寬度、表面過冷度、表面接觸角和接觸角滯后對滴狀-膜狀組合表面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊?。分析結(jié)果表明，滴狀-膜狀組合表面蒸汽冷凝傳熱性能隨著滴狀區(qū)寬度的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，存在最優(yōu)的滴狀區(qū)寬度，隨著膜狀區(qū)寬度的增加而降低，與實(shí)驗結(jié)果吻合良好。通過優(yōu)化區(qū)域組合方式，疏水-親水組合表面蒸汽冷凝傳熱性能可超

7、過完全疏水表面的滴狀冷凝傳熱性能，而且組合表面更適用于表面過冷度較低、接觸角較小和接觸角滯后較大的蒸汽冷凝傳熱強(qiáng)化。
　　實(shí)驗研究了超疏水表面上具有相同尺寸兩液滴的合并過程及其誘導(dǎo)的液滴彈跳高度。利用自由能格子Boltzmann模型得到液滴合并過程的速度分布和能量轉(zhuǎn)換情況，結(jié)合傳統(tǒng)的能量分析法分析了超疏水表面液滴合并誘導(dǎo)的液滴彈跳現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)修正模型能夠很好地預(yù)測合并液滴的初次彈跳高度和初始彈跳速度，有助于深入理解超疏水表面液滴合并

8、誘導(dǎo)的液滴彈跳現(xiàn)象。
　　利用自由能格子Boltzmann方法模擬了固體表面上液滴的合并過程，分析了液滴合并過程固液界面和汽液界面形狀的演化以及合并過程中流場的演化。結(jié)果表明，隨著固體表面接觸角的增加，液滴合并對周圍汽相擾動增強(qiáng)?？疾炝苏羝俣葘σ旱卧诠腆w表面的變形和運(yùn)動情況的影響，結(jié)果表明，蒸汽速度和固體表面接觸角越大，液滴變形越大，接觸線運(yùn)動速度越大;對外加力場影響固體表面液滴的變形和運(yùn)動的模擬結(jié)果表明，隨著外力加速度和固體表