恒热流条件下液滴蒸发Marangoni对流实验研究

为了研究恒热流加热条件下液滴蒸发过程中的Marangoni对流,采用高速摄影和红外测温技术研究了亲水表面5μL的R113液滴在热流密度0～3 575 W/m²范围内的蒸发过程,观察了液滴内部的Marangoni对流,并分析了蒸发时间、接触角、波纹数和胞体直径等参数的变化规律。研究发现:液滴在恒热流加热的亲水表面蒸发时,恒定接触角(CCA)蒸发模式占蒸发过程的50%以上,波纹数和胞体直径随着热流密度的增大而增加,并且波纹数在高热流密度下存在一个稳定期。     

环境压力对液滴流瞬态蒸发影响的实验测量

为了研究压力条件下液滴间相互作用对其蒸发速率的影响,采用相位粒子干涉成像(PHIPI)技术对无水乙醇的单分散液滴流在定压腔内的蒸发进行了研究．将射流破碎产生的单分散液滴流注入定压腔中,利用高速显微阴影法对液滴流的尺寸和间距进行了标定．采用粒子测速成像技术对液滴流附近气体运动进行表征．随后,在环境压力0.1～0.8 MPa下,对粒径范围100～200μm的液滴在无量纲间距参数2～4、液滴速度4.1～7.3 m/s等工况下的蒸发速率进行了测量．实验结果表明,液滴相对间距越小,液滴蒸发速率越慢;在室温下,环境压力对液滴的蒸发起抑制作用;液滴流速越小,压力对其蒸发的影响越明显．     

超临界环境下燃料液滴蒸发过程的计算研究

建立了研究燃料液滴在超临界环境下蒸发的计算模型,并对液滴的蒸发过程进行了编程计算.模型基于气液两相的守恒方程,并详细考虑了液滴表面的气液相平衡.模型采用了Peng-Robinson(PR)状态方程.计算结果表明:超临界压力下,液滴周围气体在液相中的溶解很明显.燃料液滴只有在强超临界环境中蒸发时,液滴表面才能发生由亚临界状态到超临界状态的迁移;而在弱超临界环境中蒸发时,液滴表面不会发生迁移.随着环境压力的升高,液滴寿命先是下降然后升高;而当环境温度升高时,液滴寿命不断下降.     

基于混合热格子玻尔兹曼模型的液滴蒸发数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(LBM)的单组分伪势模型与有限差分耦合的混合热格子玻尔兹曼模型(TLBM)对液滴蒸发过程进行了研究。首先,通过对液滴在方腔内蒸发过程进行模拟,验证了所采用计算方法及程序的有效性。随后,模拟了液滴撞击高温壁面后的蒸发过程,研究了壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数对蒸发过程的影响。结果表明,壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数的增加均会造成液滴撞击高温壁面后蒸发速率的增大。     

不同润湿性表面液滴铺展及蒸发过程的LBM数值模拟

基于格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method, LBM）对固着在加热基板上的液滴铺展及蒸发过程进行模拟,主要研究重力场、基板润湿性以及初始环境温度对液滴铺展及蒸发过程的影响。通过预测蒸发过程中液滴与基板的接触直径变化和液滴剩余质量变化,分析液滴形状及体积变化。研究结果发现,液滴形貌及蒸发过程受重力影响较大,重力作用下液滴铺展现象明显且蒸发加快。基板的接触角越小,液滴铺展现象越明显,其接触直径越大,蒸发越快。当环境温度与基板温度相差较大时,液滴内部出现涡流,强化换热使蒸发过程加快。     

基于分子动力学的燃油液滴超临界蒸发特性

基于分子动力学模拟的方法,对氮气环境中单个烷烃液滴的蒸发过程进行了模拟研究,揭示了液滴在亚临界和超临界条件下液滴蒸发特性的显著差异．对正十二烷液滴在氮气环境内的蒸发过程进行分子动力学模拟,结果表明：在超临界温度和压力条件下,液滴的温度持续上升,能够超过燃油组分的临界温度;此时,液滴与周围气相区的密度差异近乎消失,气-液相交界变得难以辨别,明显不同于亚临界条件下典型的气-液两相蒸发特征;蒸发速率随环境温度的升高而增大．在较低的压力范围内,升高环境压力能够提升液滴蒸发速率,但当压力达到一个特定值后,随着环境压力的升高蒸发速率反而会降低,同时液滴转变为超临界蒸发状态所需的最小压力随环境温度的升高而降低．对于双组分混合液滴,在亚临界环境条件下,液滴内的轻质组分优先蒸发;而在超临界环境条件下,液滴内各个组分近乎保持同步蒸发,两个燃油组分共同主导液滴的完整蒸发过程．     

状态方程对高温高压条件下燃料液滴蒸发计算的影响

以实际气体状态方程为基础,建立了单个液滴的高压蒸发模型和数值计算方法,并对庚烷液滴在氮气中的蒸发过程进行了模拟计算.重点研究了RK、SRK、PR三种状态方程对高温高压条件下燃料液滴蒸发计算的影响.结果表明,PR方程在气液相平衡、热物性参数以及液滴直径变化历程的计算上都与试验数据有很好的一致性;SRK方程在气液相平衡、二元混合物临界点以及庚烷相变焓的计算上与PR方程的计算结果十分接近,但在热物性参数和液滴蒸发寿命的计算上相比于PR方程的计算结果偏小;RK方程的计算结果与SRK方程和PR方程相比均存在较大偏差.因此,对于建立单个液滴高压蒸发模型而言,PR方程的精度最高,SRK方程次之,RK方程的精度最差.     

二甲醚/液化石油气液滴超临界蒸发特性的数值模拟

引入相平衡理论建立了DME-LPG-N2三元气、液高压相平衡,获得了液滴表面各组分的物质的量分数.建立了混合液滴超临界蒸发的计算模型,计算了二甲醚(DME)/液化石油气(LPG)双燃料液滴的蒸发过程,考察了液滴的初始直径、初始组分、环境温度和环境压力对蒸发过程的影响.结果表明:环境压力、温度越大,环境介质(N2)在液滴中的溶解越明显;液滴初始直径越小,蒸发寿命越短;液滴中DME越多,亚临界蒸发过程中的液滴蒸发寿命越长,而超临界蒸发过程中液滴蒸发寿命越短;环境温度越高,液滴蒸发寿命越短;在研究的温度范围内,环境压力越高,在亚临界条件下液滴蒸发寿命越短,而在超临界条件下液滴蒸发寿命越长.     

正丁醇水溶液液滴的蒸发特性实验研究

自湿润流体是一种具有特殊的表面张力特性的二元流体,了解其蒸发传热特性对于揭示其强化传热机理十分重要.为了探究添加自湿润流体液滴的蒸发特性,采用液滴形状分析仪(DSA100)研究了不同温度(30、40、50、60℃)下铜底板上去离子水、正丁醇水溶液(质量分数为0.5％)液滴的蒸发特性.结果 表明:加入少量正丁醇溶液并不影...     

非等温柴油液滴对流蒸发的热膨胀与环境压力影响分析

基于考虑内部温度梯度与热膨胀的非等温液滴蒸发模型,通过数值模拟,研究了对流热环境中柴油液滴蒸发的热膨胀与环境压力影响.在考虑液滴与气流热物性随温度、压力及组分瞬态变化的条件下,计算获得了不同热环境中的蒸发液滴半径变化曲线,比较了考虑热膨胀与否对液滴蒸发预测结果的影响.研究表明,柴油液滴对流蒸发中存在明显的热膨胀,可使液滴寿命缩短10%以上;环境压力效应具有非单调性,在一定热环境条件下发生逆转.     

剪切流中液滴变形及破裂的数值模拟

基于格子Boltzmann颜色梯度模型,针对二维剪切流场中液滴的变形及破裂进行了数值模拟,研究了剪切流动中毛细数Ca、雷诺数Re和流体黏度比λ对液滴变形的影响,并在Re-Ca相图中区分了三种不同的液滴变形或破裂方式。为了进一步掌握界面对液滴内部不同位置流体的作用,引入示踪粒子并分析其在液滴内的运动规律。结果表明：随着Ca的增大,液滴的变形效果和偏转角度更明显,示踪粒子运动受到的影响较大;随着Re的增加,液滴的变形程度加大,但偏转角度受其影响较弱,示踪粒子运动受其影响显著;在低黏度比（λ < 0.8）时,液滴会经历大幅度变形过程,当黏度比继续增大,其变形参数反而会减小;示踪粒子离初始圆心距离越近,运动路程越大,受到的剪切作用越大,且其在剪切作用下离界面越来越近,并最终达到稳定状态。     

Technical challenges in numerical simulation of droplet behaviors with dynamic contact angle in microchannels

Droplet behaviors play a major role in water management of proton exchange membrane fuel cells. Contact angle, as one of the critical parameters in the boundary conditions for the droplet dynamics, can greatly affect the simulation results for droplet deformation and evolvement. Recently, the dynamic contact angle (DCA) model implemented with Hoffman function has been successfully validated in the simulation of droplet impact on surfaces. In this paper, the Hoffman function is further applied to simulate liquid water slug flow in a straight microchannel with the volume of fluid (VOF) method. It is found that the numerical results are difficult to well match the corresponding experimental results under the same reported experimental conditions. However, the numerical results with lower gas inlet velocity can significantly improve the comparison. It is indicated that the DCA model coupled with Hoffman function has limitations in the simulation of liquid water behaviors with surrounding flows and needs to be further developed. In addition, a series of numerical simulations are conducted with different air inlet velocities, surface tensions, and viscosities to investigate the effects of these factors on the droplet behaviors. The technical challenges in the current research progress for DCA simulation with Hoffman function and the VOF method are also proposed and discussed.     

液滴撞击不同固体表面的数值模拟研究

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法,对低We情况下液滴撞击不同固体表面的过程进行了数值模拟研究。分析了液滴撞击平板表面的动态过程,构建了液滴衰减振荡的数学模型,探究了不同的表面润湿性、撞击速度及表面微尺度结构对液滴动态特性的影响。结果表明:液滴撞击固体表面的过程包含铺展、回缩、振荡等多个现象,其最大铺展因子及振荡周期随着表面接触角的增大而减小,随着撞击速度的增大而增大;撞击表面的微尺度结构会对液滴的动态特性产生影响,微尺度结构会对液滴的铺展及回缩运动产生阻碍作用,导致液滴的振荡特性减弱;液滴在矩形沟槽表面达到最大铺展因子的用时最短,在三角形沟槽表面的最大铺展因子最小。     

液滴在异形凹槽表面上运动特性的模拟

采用格子Boltzmann方法中的伪势模型对凹槽表面上液滴的运动情况进行了数值模拟。首先根据激光烧蚀金属表面后的痕迹提出了一种异形凹槽结构,建立了异形凹槽表面的二维模型;然后模拟了不同深度的异形凹槽表面上液滴的运动情况。模拟结果表明,异形凹槽深度越浅,液滴运动速度越快。最后在异形凹槽的基础上比较了前后沿不同结构对液滴运动特性的影响,发现将异形凹槽表面上凸起的前后沿改成直角结构会增大凹槽表面对液滴运动的阻力。     

Inner flow behavior in an oscillating liquid droplet

A numerical simulation was conducted to investigate the inner flow in an oscillating liquid droplet. A 2D model was proposed to describe the interfacial and inner flow of oscillating droplets with shear stress induced by outside air flow. The 2D inner flow field was reconstructed to explore the liquid flow velocity and pressure profile and better understand the oscillating mechanisms. © 2009 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/htj.20274     

Numerical simulations of two-phase flow in a proton-exchange membrane fuel cell based on the generalized design method

The water management of proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) has a major impact on the performance of the cell system. In order to investigate the influence of air velocity and wettability on the whole process during penetration of liquid water, a generalized two-dimensional model in conjunction with the volume of fluid (VOF) method was used to simulate the whole processes from gas diffusion layer (GDL) to gas channel (GC). The results show that the wettability of the medium plays a significant role than flow rate for the penetration of liquid water in the GDL. It is shown that favorable hydrophobicity and high air velocity in GC is helpful to remove liquid droplets on the GDL surface. By contrast, the stable droplets spacing on GDL surface is more concentrated and the percentage of liquid area is more extensive under the hydrophilic and low-velocity case, which would aggravate the liquid water and hard to remove from the GDL surface.     

"水滴"型微针肋流动与传热特性数值研究

基于圆肋尾部流动传热强化的思想,对传统圆肋进行优化,进而设计出了新型的"水滴"型微针肋.采用Fluent模拟软件对不同角度"水滴"型针肋侧壁及整体流动传热特性进行了模拟分析.结果表明:a>90°时,流动没有显著改变,边界层涡依旧发生脱落;而当a<60°后,针肋尾部逆压梯度较小,边界层涡脱离现象消失;适当的"水滴"型结构...     

滑移区气体-颗粒流动与传热特性研究

针对气体-颗粒微尺度流动与传热过程开展数值模拟研究,所构建模型中气体处理为可压缩、变物性流体,并在颗粒表面采用速度滑移和温度跳跃边界条件以考虑气体稀薄效应。在数值模拟基础上,研究分析稀薄效应对颗粒与其周围气体流动与换热的影响程度,并进一步提出新的阻力系数与传热努谢尔特数关联式。研究结果表明,气体稀薄效应将减小颗粒阻力系数,同时抑制颗粒与其周围气体的传热过程。     

二维流动模型的喷射器性能分析研究

采用二维轴对称流动模型，计算分析了吸入通道内回流现象、喷射器“恒能力”现象与静压力在轴线上分布情况之间的关系；探讨了工作压力对喷射器性能的影响。结果表明：持续降低出口压力会在混合室内形成激波，喷射因数保持不变；工作压力过高会在混合室内产生壅塞，反而降低喷射因数；吸入压力过低会在喷射器吸入通道内产生回流现象，影响喷射式制冷系统运行的安全性。