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

引言目前,卧式再沸器的热设计仍沿用Palen等人60年代初基于单管池沸腾传热机理所提出的方法．近十几年来,大量实验研究结果表明,在相同条件下管束的沸腾传热系数高于单管．人们逐渐认识到管束沸腾传热为核沸腾、对流和薄层蒸发传热机理所控制．由此可见,在卧式再沸器的设计中,基于单一的池沸腾传热机理所得关联式进行卧式再沸器的热设计,造成传热面积裕度偏大、设备体积庞大、浪费材料、设备效率低,显得十分保守．因此,深入研究水平管束的沸腾传热机理,进而发展更为合理的卧式再沸器的设计模型,对于改进这类设备的设计、改善设备…     

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.     

恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。     

The effect of liquid film vaporization on natural convection heat and mass transfer in a vertical tube

A numerical analysis was carried out to investigate the effects of film vaporization on natural convection heat and mass transfer in a vertical tube. Results for interfacial Nusselt and Sherwood numbers are presented for air-ethanol and air-water systems for various conditions. Predicted results show that heat transfer along the gas-liquid interface is dominated by the transport of latent heat in association with the vaporization of the liquid film. Additionally, the 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 by Chang et al. (1986) and Yan and Lin (1990) is only valid for systems with small liquid mass flow rates. For systems with a high liquid film Reynolds number, Re₁₀, the assumption of an extremely thin film is seriously in error.     

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。     

Study of heat and mass transfer from sugarcane juice for evaporation

The study of heat and mass transfer during natural convection heating for preparation of Jaggery was carried out for the open and closed conditions. An indoor experiment was conducted for simulation of developed thermal model for heat and mass transfer for maximum evaporation. Evaporated water was condensed at the inner surface for the closed system as fresh water. The effect of different rates of heating (varying voltage) and heat capacity of sugar cane juice on heat and mass transfer were also carried out. It was observed that the evaporative heat transfer coefficient depends significantly on the rate of heating and heat capacity.     

竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性的分析

实验研究了竖直圆管内液氮流动沸腾传热特性,分析壁面温度、流体温度、干度以及传热系数沿实验段管程的变化规律,考察热通量、质量流量和入口压力对液氮两相流动传热特性的影响。针对实验工况分别采用Chen、Klimenko、Shah以及Liu-Winterton关联式对传热系数进行预测,并将实验结果与预测结果进行比较,对不同传热系数区间内的相对误差进行了计算、分析,以评估实验工况范围内各关联式的准确性。结果表明,在传热系数较大的情况下,4个关联式的预测值普遍低于实验值,在整个实验工况范围内,采用Klimenko关联式预测时误差最小。     

高温高压水在垂直下降管内的传热特性

在压力11.5~28 MPa,质量流速450~1550 kg·m^-2·s^-1,内壁热负荷50~585 kW·m^-2的范围内,对水在垂直下降管内的传热特性进行了实验研究,得到了垂直下降管内水的传热特性,分析了热负荷对内壁温度和传热系数的影响,给出了能用于工程实际的传热实验关联式,并且对垂直下降流动和垂直上升流动的传热特性进行了比较。实验结果表明:在亚临界和近临界压力区,垂直下降管会发生第一类传热恶化--膜态沸腾和第二类传热恶化--干涸。热负荷的增大,会导致传热恶化的提前发生和传热恶化发生后的壁温飞升值增大。在超临界压力区,壁温在低焓值区随焓值平缓增加,而在高焓值区随焓值明显升高,表明在拟临界点附近发生了传热强化现象。