高壓流體毛細(xì)特性及影響因素的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、自蒙特利爾議定書簽訂以來，以CFCs和HCFCs作制冷劑的制冷界面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，目前推出的包括R134a在內(nèi)的HFCs及其混合物，不能夠滿足長(zhǎng)期替代的要求，二氧化碳因具有良好的熱力性能和環(huán)保特性逐漸受到了重視。太空也開始嘗試采用二氧化碳為工質(zhì)的冷卻循環(huán)。 太空由于重力接近于零，毛細(xì)力起著重要的作用，因此在空間熱控系統(tǒng)中，毛細(xì)特性的研究至關(guān)重要。本文研制了一種可視化的高壓釜，并與之配套搭建了完整的溫度控制、圖像采集、數(shù)據(jù)采集等，

2、組成了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以進(jìn)行二氧化碳等高壓流體的毛細(xì)特性研究。本文對(duì)高壓流體在其氣液相平衡狀態(tài)下毛細(xì)特性分別進(jìn)行了靜態(tài)與動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是二氧化碳。 依據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本文首先進(jìn)行了二氧化碳與316L不銹鋼表面的浸澗性研究。本文使用兩種不同的方法進(jìn)行了接觸角測(cè)量，一種是間接法，測(cè)量液體在兩塊不銹鋼片之間的上升高度，根據(jù)上升高度計(jì)算出接觸角的大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示兩個(gè)不同寬度狹縫計(jì)算得到的接觸角數(shù)據(jù)結(jié)果基本相同。使用間接法測(cè)量得到的

3、接觸角是后退角，為了全面衡量二氧化碳液體的浸潤(rùn)性及驗(yàn)證間接法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文使用下垂液滴法進(jìn)行接觸角測(cè)量。垂滴法屬于直接測(cè)量接觸角的方法，利用外部冷源在氣液兩相蒸氣中冷凝液滴，使用圖像采集系統(tǒng)對(duì)液滴下落過程進(jìn)行監(jiān)控與圖像采集，然后利用三次樣條分析法對(duì)液滴圖片分析得到前進(jìn)角與后退角大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明下垂液滴法測(cè)量得到的后退角與平板法測(cè)得的接觸角非常近似。由兩種測(cè)量接觸角方法得到的結(jié)果看出，二氧化碳與不銹鋼的接觸角非常小，這說明二氧化

4、碳對(duì)不銹鋼表面的浸潤(rùn)性非常好。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液滴的接觸角隨溫度的降低而逐漸升高，說明隨溫度降低，二氧化碳的浸潤(rùn)性變差。 本文還對(duì)二氧化碳在不銹鋼絲網(wǎng)毛細(xì)上升進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)在密封的壓力容器中進(jìn)行，所有的實(shí)驗(yàn)都是在各個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)溫度和壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)并且是處于二氧化碳的氣液相平衡的條件下進(jìn)行的。方法是通過觀察液體二氧化碳在毛細(xì)絲網(wǎng)的不同時(shí)刻的上升高度進(jìn)行毛細(xì)特性的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析。靜力學(xué)分析是當(dāng)液體在絲網(wǎng)上升到最高點(diǎn)時(shí)，毛細(xì)力與重

5、力達(dá)到平衡狀念，通過公式就可以得到各個(gè)實(shí)驗(yàn)絲網(wǎng)的當(dāng)量毛細(xì)半徑。在二氧化碳的毛細(xì)動(dòng)態(tài)特性的研究中，采用的研究方法是首先節(jié)流降溫使液體在絲網(wǎng)中蒸發(fā)，然后觀察并記錄在不同時(shí)刻，液念二氧化碳在絲網(wǎng)的上升高度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，完全考慮重力作用的方程與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果吻合性非常好。說明在地面實(shí)驗(yàn)中，重力是一個(gè)非常重要的量，它起到平衡毛細(xì)力的作用。在進(jìn)行絲網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性描述中，滲透率K是一個(gè)重要的概念，它描述了液體在絲網(wǎng)中的滲透作用，代表了絲網(wǎng)的結(jié)構(gòu)對(duì)毛細(xì)動(dòng)態(tài)

6、特性的影響。分析表明，使用平紋網(wǎng)的滲透率的計(jì)算方法得不到密紋網(wǎng)的滲透率，因此必須依靠實(shí)驗(yàn)的方法。本文實(shí)驗(yàn)測(cè)量了四種不同規(guī)格的不銹鋼密紋網(wǎng)，并分別得到了各個(gè)絲網(wǎng)滲透率的值。在本文的最后對(duì)表面的浸潤(rùn)性及毛細(xì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，指出了影響毛細(xì)上升速度的時(shí)間常數(shù)，分析了在不同溫度不同目數(shù)絲網(wǎng)的時(shí)間常數(shù)變化對(duì)上升速度衰減的影響。結(jié)合單層絲網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)理論計(jì)算了二氧化碳液體在多層絲網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)特性。文章還分析了當(dāng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的一端有熱量輸入時(shí)液體在毛細(xì)結(jié)