磁场对铜板冷表面抑霜的可视化研究

为了研究弱磁对凝结液滴冻结和结霜过程的影响。通过在冷表面两侧施加永磁铁的方式,探究磁场(0—70 mT)和液滴冻结时间、大小、霜厚及结霜质量的关系。实验结果表明:在相同的工况下,随着磁场强度的增加,冷表面上发生液滴冻结的时间逐渐延长,但随湿度增加到一定程度时,液滴冻结的时间与磁场强度的关系并不是呈线性关系;另外,在不同磁场强度下,冻结液滴的尺寸不同;在结霜过程中,霜层生长的速度随着磁场强度的增加而变缓,结霜质量随之减少。以上的结果表明,一定的磁场强度对冷表面上液滴的冻结和霜层的生长均能起到一定的抑制作用,但随着冷表面温度的降低和环境湿度的增加,磁场对液滴冻结和结霜过程的抑制作用会减弱。     

不同工况下超疏水表面的凝露特性研究

超疏水表面能减少液滴的附着，减少液滴存在带来的热阻增加，提高空调、发电和海水淡化的效率。本文实验研究了不同冷表面温度(2～8℃)、空气湿度(40%～80%)、倾斜角度(0°～90°)下，超疏水表面冷凝液滴的生长特性，分析不同工况对超疏水表面凝露的影响。结果表明：随着冷表面温度的降低，液滴平均半径和表面液滴覆盖率逐渐增大，冷表面温度越低，液滴生长速率越快；在不同湿度工况下，高湿度下超疏水表面液滴生长较快，但随着时间增加，低湿度下液滴生长半径将超过中高湿度，且低中湿度工况下冷表面液滴覆盖率远小于高湿度；随着倾斜角度增大，液滴临界扫掠半径逐渐减小，垂直表面相比水平表面液滴覆盖率减少42%。     

汽-气液滴形管与圆管外凝结换热的研究

为了研究管型对汽-气凝结换热的影响和强化汽-气凝结换热过程,建立了汽-气在液滴形管与圆管外凝结换热所形成的气液膜的厚度及换热系数沿管壁分布的综合数学模型。通过有限差分的方法,以天然气燃烧产生的烟气为例对两种管型进行了计算比较。在有效换热面积相等的情况下,与圆管相比,液滴形管上半部分管径小,压力梯度大,有利于排液,下半部分表面曲率大,亦有利于排液;液滴形管表面形成的气膜薄,液膜亦薄,珠状凝结区域大,液珠尺寸小,凝结换热系数大;液滴形管对显热传递亦有一定的强化作用。通过实验对计算结果进行了比较验证,结果表明该模型亦适用于椭圆管和其它汽-气混合流体种类。     

不同基底温度下铝基超疏水表面的抗结冰性能实验

本文利用刻蚀方法制备了铝基超疏水表面,在环境温度20℃、相对湿度60%下进行了不同基底温度(-15℃、-20℃、-25℃、-30℃)超疏水表面的静态和动态低温液滴抗结冰性能实验研究。结果表明:超疏水表面在液滴静、动态下均表现出良好抗结冰性能;在静态液滴抗结冰实验中,随着冷表面温度的降低,超疏水表面延缓结冰的时间快速下降,当基底温度为-25℃时,其抗结冰性能发生突变,并随冷表面温度的进一步降低而表现恶化;在动态液滴抗结冰实验中,当冷表面温度为-15℃和-20℃时,低温液滴能快速从低温表面弹离,而当冷表面温度为-25℃和-30℃时,低温液滴不能从超疏水表面弹离,滞留在超疏水表面上,且快速在其上冻结,超疏水表面失去了抗结冰性能。基于相关相变成核理论,分析了其抗结冰的机理。为超疏水表面在冬季空调室外换热器上的应用提供一定参考。     

接触角和质量分数对液滴冻结过程的影响

本文通过FLUENT软件的凝固/熔化模型,模拟了接触角及质量分数对纯水和氯化钠溶液在冷表面冻结过程的影响,选择铜片为亲水表面,纳米膜表面为疏水表面,对液滴在不同表面特性条件下的冻结过程进行实验研究。结果表明：液滴在冷表面的冻结特性与接触角、质量分数有关。当溶液质量分数一定时,接触角越小,液滴冻结速度越快,完全冻结时间越短;在冻结过程的初始时刻,接触角越小,液滴底部温度越低;当冻结时刻相同、液滴高度一致时,液滴表面的温度和液相分数均比液滴内部低;接触角相同时,溶液质量分数与液滴的开始冻结温度成反比,与完全冻结时间成正比。对比实验结果与模拟可知,不同质量分数的氯化钠液滴在接触角为60°和100°时,冻结时间的变化趋势一致,但实验值大于模拟值。     

R404A和R407C在水平强化管外的凝结换热实验研究

实验研究了近共沸制冷工质R404A与非共沸制冷工质R407C在水平强化换热管管外的凝结换热性能。采用"Wilson图解法"对实验数据进行处理。结果表明:对于R404A和R407C,强化管外的凝结换热系数随着壁面过冷度的增加而增大,呈现出与纯工质冷凝时不同的变化趋势,这主要是近共沸或非共沸工质凝结过程中,某些组分的凝结会遇到其它组分的凝结气膜热阻所造成的;随着过冷度增加,易挥发组分开始凝结,气膜变薄,冷凝传热系数增大。R407C在强化换热管管外的凝结换热系数比R404A要小70%左右,这是由于R407C的温度滑移较R404A要大,管外形成的凝结扩散气膜造成的影响更大。R407C在高热流密度工况下的换热效果提升明显,故应尽量工作在高热流密度区域。     

入口温度对天然气超声速液化性能的影响

为揭示入口温度对天然气混合物超声速液化特性的影响,本文建立了双组分天然气混合物超声速凝结流动数学模型,研究不同入口温度下Laval喷管内甲烷-乙烷混合气体自发凝结过程。结果表明:保持Laval喷管入口压力及气体成分不变,降低入口温度,混合气体成核位置前移,成核率、液滴半径、液滴生长率、液滴数目、液相质量分数均随之增大,凝结液化效率提高。采用本文设计的Laval喷管结构,在入口压力为6 MPa、入口温度为265 K、甲烷与乙烷摩尔体积比为9∶1时,Laval喷管内可获得的最大成核率为0.982 2×10~(21)(m~3·s)~(-1),最大液滴半径为4.719 4×10~(-7) m,单位质量最大液滴数目为5.070 4×10~(14) kg~(-1),最大液相质量分数为7.812 1%。当入口温度高于275 K时,Laval喷管液化效率急剧下降。实际生产中可通过降低入口温度、减小喷管与外界环境的热量交换等措施来促进天然气的凝结,提高Laval喷管的液化效率。     

降压环境下液滴在不同润湿性表面汽化过程实验研究北大核心CSCD

对降压环境下液滴在不同润湿性表面的汽化过程进行了实验研究,对比了在亲水和疏水表面上液滴汽化过程的无量纲尺寸变化,分析了环境压力和表面温度对亲水表面液滴汽化过程的影响。实验结果显示:降压过程中液滴在热表面的汽化过程经历四个阶段:初始状态、降压的快速汽化阶段、定接触线汽化阶段和快速收缩阶段。相同工况下,由于疏水表面的气泡数更多,抑制了液滴接触半径的收缩,液滴生存时间更长。在亲水表面上环境压力越低、表面温度越高,液滴汽化越剧烈,并且定接触线汽化阶段占整个汽化过程的比例越大。     

降压环境下液滴在不同润湿性表面汽化过程实验研究

对降压环境下液滴在不同润湿性表面的汽化过程进行了实验研究,对比了在亲水和疏水表面上液滴汽化过程的无量纲尺寸变化,分析了环境压力和表面温度对亲水表面液滴汽化过程的影响。实验结果显示:降压过程中液滴在热表面的汽化过程经历四个阶段:初始状态、降压的快速汽化阶段、定接触线汽化阶段和快速收缩阶段。相同工况下,由于疏水表面的气泡数更多,抑制了液滴接触半径的收缩,液滴生存时间更长。在亲水表面上环境压力越低、表面温度越高,液滴汽化越剧烈,并且定接触线汽化阶段占整个汽化过程的比例越大。     

圆锥槽结构强化低压水蒸气的膜状凝结实验研究

通过在冷凝面上构造圆锥槽结构,使冷凝液膜内部形成结构梯度,利用圆锥槽内冷凝液膜产生的轴向拉普拉斯压差使冷凝液自发向圆锥槽半径减小的方向运动,实现冷凝液快速排出,从而强化低压蒸气膜状凝结。实验结果表明,冷凝流量较小时,圆锥槽内凝结液膜能快速排出,膜状凝结换热得到增强,而光滑表面由于接触角滞后造成冷凝液块钉扎在冷凝面,造成传热热阻增大,凝结换热恶化;而在较大冷凝流量下,圆锥槽表面冷凝液膜变厚,液膜内部轴向压力梯度减小,轴向输运能力减弱,光滑表面冷凝液块脱离频率增加,同时合并路径上的其他液块与液珠,加快表面更新频率,造成蒸气在光滑表面的冷凝速率略大于圆锥槽表面。     

弱交流磁场下裸铜表面结晶特性研究

本文研究了环境温度恒定为25 ℃、相对湿度为49%、体积为0.01 mL的液滴在﹣20 ℃裸铜底板的冻结实验，发现在附加交流磁场强度分别为2.0×10-3、2.5×10-3、3.0×10-3、3.5×10-3、4.0×10-3、4.5×10-3、5.0×10-3、5.5×10-3、6.0×10-3 T的作用下，液滴结晶过冷度增大，最大过冷度提高了2.08 ℃；但附加磁场会减小成核驱动力；相比无磁场情况下，液滴冷凝时间减少，凝结粒径相比无磁场下较小。通过对在相同温湿度下自然对流条件的冷铜底板结霜可视化研究发现，由于附加磁场使极性水分子有序的在底板排列，较无磁场下液滴结晶过程熵增更小，在宏观上呈现液滴有序排列。此外，实验发现在0～6×10-5 T的磁场强度范围，随着磁场强度的增大，平板单位面积结霜量减小，单位面积结霜量与交流磁场强度有较高的相关性，得到了拟合关系式。     

低温环境下水滴在冷表面结冰过程的实验研究

本文研究了环境温度的变化和实验表面改变对水滴结冰过程的影响。在温度可调的低温环境测试箱中搭建了观测水滴结冰的实验装置。用气压控制器控制液滴发生装置内的压强并使其产生水滴,通过相机记录水滴在冷表面上的结冰过程。实验结果表明:实验板表面的导热系数对水滴的结冰时间影响较大,环境温度为-22. 0℃时,红铜表面的结冰时间为3. 8 s,不锈钢表面的结冰时间为5. 0 s,均小于玻璃表面上的结冰时间15. 2 s;水滴在不同实验表面上结冰时均会产生凸起,但仅在玻璃表面上会发生明显的凸起塌陷现象。     

真空环境下乙酸液滴过冷凝固过程传热传质特性

利用真空闪蒸系统对乙酸液滴在真空环境下的过冷凝固过程进行了动态观测,建立了针对单个乙酸液滴在真空环境下过冷凝固过程的传热传质数学模型。模型考虑了液相和固相内的温度分布,引入过冷凝固的动力学条件以及表面升华的传质方程描述凝固界面与升华界面的运动。综合实验测量数据和模型计算结果,掌握了乙酸液滴在环境下过冷凝固过程中的温度变化,比较了乙酸液滴和纯水液滴过冷凝固过程中温度变化的特征,分析了环境压力对液滴温度变化的影响。结果显示:与纯水液滴相比,乙酸液滴具有更高的凝固平衡温度,在实验过程中更早开始凝固。由于乙酸凝固潜热较小,再辉阶段温度上升较为缓慢,凝固时间较短。环境压力越低,凝固过程中液滴过冷度越大,凝固速度越快,液滴最终温度越低。     

超疏水表面融霜演化行为及排液特性

及时脱除热力除霜后冷表面残留液滴,可以延缓二次结霜。本文对室温环境下超疏水表面融霜演化行为进行了微观可视化观测,对比分析了表面倾角对裸铝表面(接触角88. 0°)及超疏水表面(接触角151. 1°)融霜排液的影响。实验结果表明,水平超疏水表面融霜过程存在单液膜卷曲收缩及多液滴合并两种行为,较大的静态接触角及较小的接触角滞后是促使多液滴合并的主要原因。与倾斜裸表面融霜过程存在大量残留液滴不同,超疏水表面融霜液可实现自排除;当表面倾角>30°时,超疏水表面排液率可达90%以上。结合表面润湿特性及表面倾角推导出表面液滴临界脱落半径,与实验结果吻合较好。     

液滴撞击冷超疏水表面动力学特性分析

采用氟化物改性和喷涂法制备出一种具有边缘效应抗冷凝失效性能的宏观蜂窝结构化超疏水涂层,通过高速摄影和图像处理方法,研究液滴撞击普通光滑铝表面、普通超疏水表面和蜂窝状结构化超疏水表面的撞击过程,获得了接触时间、铺展系数的关系。引入分形维数对凝结液滴生长形貌进行分析,研究结果表明,随着凝结量的增加,超疏水表面形貌越复杂,分形维数越高,液滴撞击后纵向伸展长度越小,液滴最终粘附在超疏水表面。而具有边缘效应的宏观蜂窝结构具有一定的抗冷凝失效性能,并且加速液滴的分裂和在表面的脱离。     

竖直矩形通道内不凝性气体对凝结换热特性的影响

本文以去离子水为工质,实验研究了竖直矩形窄通道内少量残余不凝性气体对蒸汽凝结换热特性的影响。采用热阻分离法得到凝结侧换热表面传热系数,分析了不凝性气体的含量、冷却水质量流速、进口温度和热流密度对蒸汽凝结侧表面传热系数的影响。结果表明:当热流密度为1.668 kW/m~2,即蒸汽质量流速较小时,2%体积分数的不凝性气体使凝结侧表面传热系数下降了33%,但当热流密度为3.887 kW/m~2,蒸汽质量流速较大时,2%体积分数的不凝性气体仅使凝结侧表面传热系数降低了14%,此外,凝结换热表面传热系数随冷水质量流速和不凝性气体分数的增加而变小,随冷水进口温度和热流密度的增加而变大。     

环氧树脂缓释激发剂对碱-矿渣水泥性能的影响

碱-矿渣水泥目前常用缓凝剂延长凝结时间,但缓凝剂存在用量不宜控制、缓凝效果受温度影响较大、影响早期强度等问题。本研究采用一种缓释型碱激发剂对其凝结时间进行调节。实验采用不同总质量的环氧树脂包覆处理水玻璃,得到不同厚度的环氧树脂覆膜,研究了不同覆膜厚度的激发剂对碱-矿渣水泥凝结时间、力学性能、微观性能的影响。实验表明,使用环氧树脂覆膜于激发剂表面后,能显著延长碱-矿渣水泥的凝结时间,其中100%包裹组将初凝时间延长了90%;环氧树脂的加入提高了水泥的1 d强度,75%包裹组1 d强度提高了54.02%;环氧树脂对28 d的抗压强度贡献不大,但能提高试件的韧性,25%包裹组的压折比降低了10.18%;环氧树脂以覆膜形式加入碱-矿渣水泥中较直接以外加剂加入更能促进基体的水化进程。     

地质聚合物凝结硬化及其调节技术的研究进展

地质聚合物(Geopolymer)是一类由活性铝硅酸盐矿物在碱激发作用下形成的非传统胶凝材料,具有高强、耐久、绿色环保等特点.但地质聚合物原材料和碱性激发剂的多样性使其水化机理异常复杂,凝结硬化性质不确定性增加,且受环境温度变化影响大.因原材料及制备工艺不同,地质聚合物凝结硬化特性可能走向两个极端:(1)凝结硬化过快,难以施工;(2)长时间不凝结硬化,早期强度发展慢.通过合理有效的方法将其凝结时间调控至适合范围,是实际工程应用中亟需解决的关键问题.本文分别阐述了高钙、低钙和无钙体系下地质聚合物的凝结硬化机理,详细分析了铝硅酸盐原料细度、活性及CaO含量,激发剂的类型、掺量以及环境温度等因素对地质聚合物凝结时间的影响,概括总结了调节地质聚合物凝结时间的技术方法,并分析了其作用机理,以期为地质聚合物的应用研究提供技术支持.     

低温容器在水蒸气膜态凝结前后的绝热效果分析

绝热失效严重影响了低温容器的经济和安全运行。膜态凝结的出现是绝热失效最直接的表现。提出了用低温容器表面温度与空气露点温度的比较来判别低温容器的绝热是否失效的方法。理论上,分析了低温容器表面水蒸气膜态凝结出现前后的换热机理。在一个高真空多层绝热低温容器上进行了实验,测量并分析了水蒸气膜态凝结前后低温容器表面温度和液氮蒸发速度的变化。理论分析和实验均验证该方法对于判别绝热效果的有效性和可行性。     

疏水性对竖直冷表面上自然对流结霜特性的影响

本文采用控制表面氧化法制备超疏水表面(153. 2°),并对自然对流条件下竖直放置的超疏水表面与裸铜表面进行可视化结霜实验,观察并对比实验初期有液核与无液核生成成霜时疏水性对结霜过程的影响,研究了疏水性对结霜的影响随冷表面温度(-50～-30℃)、空气相对湿度(30%～70%)的变化规律。结果表明,有液核成霜时,超疏水表面具有显著的抑霜效果;无液核成霜时,疏水表面不再具有抑霜效果,反而超疏水表面霜晶生长更为密实;疏水性对无液核成霜过程的影响随空气相对湿度的增大、冷表面温度的降低而减弱;从云物理学与核化理论角度分析了无液核生成时超疏水表面霜晶分布更密的原因,发现实验制备的超疏水表面上凹坑与CuO晶体颗粒为凝华核化提供了有利位置。