凸面恒温基底上固着液滴蒸发特性研究

针对凸面恒温基底上的固着液滴蒸发过程开展了实验和理论研究。实验研究方面,搭建了凸面恒温基底上蒸馏水液滴蒸发的可视化实验系统,捕获了液滴蒸发过程形态变化,使用红外热像仪获得了液滴表面温度分布。理论研究方面,基于环形坐标系建立了凸面恒温基底上固着液滴蒸发的传热传质模型,推导出液滴内部温度分布及其周围蒸气浓度分布的解析解。将模型结果与实验数据进行对比,验证了计算模型的可靠性。研究结果表明：模型计算需考虑蒸发冷却效应,提高基底温度和减小基底曲率直径均可提高液滴蒸发速率;相较于平面基底,凸面基底上液滴的铺展半径更大,钉扎时间延长,总蒸发时间减小,液滴蒸发主要遵循恒定接触半径蒸发模式。此外,液滴/空气界面处的过余温度沿液滴表面从中心到接触线方向单调递增,随着蒸发过程的进行,液滴整体温度分布趋于均匀。研究结果有助于深入掌握凸面基底上固着液滴蒸发的传热传质机理。     

固着纯组分液滴蒸发的研究综述

本文对固着纯组分液滴的蒸发研究现状进行了综合评述。介绍了固着液滴蒸发的恒接触半径模式、恒接触角模式及混合模式,分析了完全润湿和部分润湿两种固着液滴的蒸发过程及其特点,系统讨论固着液滴的蒸发动力学理论规律,并对固着液滴蒸发的实验研究进行了简要介绍。     

热敏荧光法用于蒸发液滴近接触线的温度测量

探究静置液滴蒸发的动力学原理在众多的相关工业应用中举足轻重。在过去的数十年间,尽管相关领域的学者进行了大量的研究工作,但仍有一个关键的问题尚未解决,即液滴接触线附近的温度在蒸发过程中到底是如何变化的。通过直接测量的实验方法,报道了液滴在接触线固定不动的蒸发阶段,其接触线附近温度的详细变化过程。利用显微热敏荧光测温技术,其结果表明：液滴接触线附近自由界面的温度将沿径向发生急剧变化,并伴随一组在蒸发过程中不断发生演变的荧光同心圆环,这种荧光条纹带是由于液滴边缘的几何差异性所导致的局部强化蒸发冷却与一组热浮力驱动的对流辊相互作用产生的结果。本研究将为蒸发动力学提供新的认识,并有望在各种对传热系统的应用领域中促成新的进展。     

基底厚度对蒸发液滴表面温度分布的影响

蒸发液滴的表面温度分布对液滴的液体流动和颗粒沉积有着重要的影响。获得液滴表面温度目前主要采用数值计算方法。针对有限厚度基底上的蒸发液滴,分析了网格划分对液滴表面温度计算结果的影响。结果表明,相比于液滴边缘附近区域,液滴中心区域网格的细化对计算结果影响不大;而在接触线附近,相比于网格尺寸,网格细化区域大小对计算结果的影响也很小。利用数值方法研究了基底厚度对蒸发液滴表面温度分布特性的影响,发现随着基底厚度的改变液滴表面出现3种温度分布模式:(1)从液滴顶点到边缘处表面温度逐渐升高;(2)液滴表面温度非单调变化;(3)从液滴顶点到边缘处表面温度逐渐降低。考虑热传导路径长度和蒸发制冷的共同作用,对不同表面温度分布模式进行了解释,并获得了(h_R,q)坐标平面上的表面温度分布模式相图。本文结果将有助于对液滴蒸发过程的理解,并为蒸发诱导自组装、喷墨印刷等技术提供理论依据。     

氧化铝纳米流体液滴瞬态蒸发速率的演化特性分析

以氧化铝纳米流体液滴为研究对象,本文建立了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）法的液滴蒸发瞬态模型,对液滴蒸发过程中蒸汽浓度、纳米颗粒浓度、温度等进行多物理场耦合,并考虑了Marangoni流对液滴蒸发的影响,同时研究还结合蒸发实验可视化结果,分析了氧化铝纳米流体液滴的瞬态蒸发速率随时间的演化规律,讨论了颗粒体积分数和基板温度对蒸发模式的影响。结果表明,在液滴蒸发过程开始时,纳米流体液滴保持定接触半径蒸发模式,气液界面面积逐渐减小,瞬态蒸发速率也呈逐渐减小的趋势;当颗粒体积分数增大至26%时,瞬态蒸发速率曲线达到驻点;蒸发接近完全时,由于Marangoni流影响了内部流场、强化了内部传热,且液滴在已沉积在基板上的颗粒表面形成液膜,瞬态蒸发速率迅速增大。     

乙醇溶液液滴降压蒸发过程传热传质特性

针对单个乙醇溶液液滴在降压环境下蒸发的传热传质过程建立了数学模型。模型基于液相的能量守恒和 传质扩散理论,利用经典拓展模型计算液滴的质量蒸发率,并引入活度系数考虑液滴表面的蒸气分压。采用液 滴悬挂法进行实验,分别记录了乙醇溶液液滴和乙酸溶液液滴在降压蒸发过程中的液滴内温度变化。将实验数 据与计算结果对比,验证了模型的有效性。通过模型计算获得了液滴内部温度分布以及浓度分布随时间的变化。 结果表明:快速降压阶段空气流动较快,加之乙醇工质易挥发,液滴表面温度下降迅速,液滴内部温差和乙醇 浓度梯度较大;压力稳定后,空气流速为零,液滴内部温差和乙醇浓度梯度逐渐减小。由于液滴内部的热扩散 速率大于传质扩散系数,内部温度随时间的变化比浓度随时间的变化更快。     

不混溶液体表面上蒸发液滴的动力学特性

针对不混溶均匀受热液体表面上蒸发液滴的动力学过程,基于润滑理论推导出了无量纲方程组。采用数值模拟方法,探究了蒸发液滴的动力学特性。结果表明,蒸发液滴的演化过程分为两个阶段:由\"铺展主导\"的液滴前进阶段和由\"蒸发主导\"的持续脉动振荡的后退阶段。液滴在低黏度比下的流动性更强,导致铺展更加迅速,黏度比的增加会导致铺展和收缩速率的降低。蒸发通过影响液滴界面的温度分布进而影响界面张力以及液滴铺展。相较于固体表面液滴蒸发出现的钉扎现象,蒸发液滴在不混溶液体表面上的铺展是去钉扎的,并且伴有液体基底的明显变形。     

平面上固定接触角蒸发液滴内Marangoni对流失稳现象

实验观察了水平加热基板上1cSt硅油液滴在固定接触角蒸发模式下的Marangoni对流失稳模式的演化规律,分析了接触角和基板温度对Marangoni对流不稳定性的影响。结果表明,随着基板温度的升高液滴内依次呈现热毛细对流、稳定的Bénard-Marangoni（BM）对流和不规则振荡的BM对流。对于稳定的BM对流,涡胞数随润湿半径的减小逐渐减少;当涡胞数少于5时,涡胞变为圆形;随着接触角的增大,由热毛细对流转捩为稳定的BM对流时的临界Marangoni数（Ma_c）增大;蒸发过程中,液滴内无量纲涡胞数随无量纲润湿半径的增大而线性增大,与接触角无关。     

水平管束沸腾传热的对流与薄层蒸发贡献

中图分类号:     

Mixed convection heat and Mass transfer in a vertical channel with film evaporation

Numerical results are presented for effects of latent heat transport associated with film vaporization on laminar mixed convection heat and mass transfer in a vertical channel with a half channel width b = 0.01 m. The influences of the inlet liquid mass flowrate and wall temperature on the film vaporization and the associated heat and mass transfer characteristics are examined for air-water and air-ethanol systems with gas Reynolds number Re_g = 2000. Predicted results obtained by including transport in the liquid film are contrasted with those where liquid film transport is neglected, showing that the assumption of an extremely thin film made in Lin et al. (1988) and Yan and Lin (1989) is only valid for systems having small liquid mass flow rates. Additionally, it is found that the interfacial heat flux is predominantly determined by latent heat transfer connected with film evaporation.     

Natural convective heat transfer from open vertical tubes

Natural convection heat transfer in vertical tubes is described by a one-dimensional dispersion model similar to that used previously for fluid mixing in the presence of an unstable density gradient. Temperature profiles have been measured in air in 2 m high insulated vertical tubes (21.3, 24.5, 27.7 cm internal diameter), closed at the bottom and open at the top, and heated at the bottom with a known heat flux. The effective mixing lengths for eddy heat transport are of the same order as the tube diameters.     

Free convection heat transfer over a horizontal plate at low prandtl number

Boundary layer equations for free convection heat transfer along a semi-infinite horizontal plate are derived by giving more importance to the energy equation. The equations are obtained for low Prandtl number and two separate polynomials are used to approximate the temperature and velocity profiles in these regions. The rate of heat transfer is compared with the available analytical and numerical results based on conventional boundary layer equations.     

有体积热源的矩形空腔内层流自然对流的数值模拟

对具有内热源方腔的稳态层流耦合自然对流换热进行了三维的数值模拟,采用的模拟代码基于连续介质计算力学的开源库OpenFoam,解决了自然对流换热与固体传热的耦合问题.Ra数的变化从105到109.对外壁面为常温、方腔内充满含体积热源流体的自然对流计算结果表明,温度场、速度场与非耦合的工况有很大差异.     

真空闪蒸冷却换热机制及流量影响

通过对真空闪蒸冷却机理的分析,基于膜-渗透理论建立了以水为工质的真空闪蒸冷却换热模型,并利用实验研究和模型模拟相结合的方法,对闪蒸冷却的换热特性进行了研究。模型分析结果和实验结果误差小于10%,证明了所建模型的准确性。研究结果表明：液膜闪蒸换热在高热通量闪蒸冷却中占主导地位;随着工质流量的增加,闪蒸冷却换热性能提高;工质流量越小,液膜闪蒸换热所占份额越大,即工质闪蒸所带来的潜热利用率增加。研究结果为真空闪蒸冷却在航天热控方面的应用提供了理论基础。     

电场强化乙醚自然对流和池沸腾换热

外加电场强化传热是将电场及其理论引入传热学领域,利用电场力与流场和温度场的相互作用而达到强化传热的一种有效方法．     

跨温区直接蒸发冷却的热质传递特性

低温干燥空气直接蒸发冷却用于制备低温冷水甚至冰晶时会跨越常温和低温两个温度区间,其传热传质特性会随温度区间而发生变化。进行了常温工况和非常温工况下氧化铝(Al₂O₃)泡沫陶瓷填料的逆流直接蒸发冷却实验,重点对0~15℃的非常温区间进行研究,对非常温区间的传热驱动力与蒸发冷却效率、传质驱动力与空气含湿量增量、焓差驱动力与焓效率之间的关系进行了定量的计算分析,并对比了常温与非常温工况下的直接蒸发冷却过程。在此基础上,利用分析方法对非常温工况下的能量利用价值进行了计算,并对其性能的提升和应用潜力进行了分析。     

乙醇水溶液单液滴碰撞热壁面的动态演化特性

乙醇添加剂能显著改变去离子水基液滴碰壁动态特性。本文设计并搭建了液滴碰壁动态演化及传热研究实验台,并就溶液表面张力、液滴韦伯数（We）、壁面温度等对液滴碰壁的特性影响进行了实验研究。结果表明乙醇添加剂能够有效增强液滴润湿特性,促进液滴的雾化和破碎现象,同时抑制液滴反弹能力。并且这一能力随着乙醇溶液浓度的增大而增强。润湿特性随着液滴We的增大呈现出先增强后发生反弹现象的趋势,乙醇添加剂能够有效地抑制这种反弹趋势,并使混合液滴继续发生铺展现象。壁面温度125℃时,当We由15增大到33时,水基液由铺展阶段过渡到反弹阶段,而添加乙醇使得液滴继续铺展,没有发生反弹现象。乙醇添加剂能够明显地提高液滴由铺展到反弹的临界转变温度（T_CHF）,扩大液滴核态沸腾对应的温度区域,延迟液滴进入过渡沸腾阶段。     

水平放置离散矩形直翅片的自然对流传热性能研究

本文实验研究了自然对流时,温差为９０－２００Ｋ范围内,水平放置离散矩形直翅片组的稳态传热性能,着重探讨了翅片列间距对翅片组散热的影响。从单位传热基面面积的传热量的翅片材料的使用量综合考虑。在本文所用的翅片范围内,翅片列间距为１２～１８ｍｍ的直线排列离散翅片组和翅生列间距一翅片长度相等匆匆韭我离散翅片组效果为优。通过因次分析的方法建立离散翅间空气自然对流的传热准数关系式。