竖直平板间液桥形状的观测与预测模型开发

了解析湿工况下液桥对管翅式换热器性能的影响,需要对液桥形状进行实验研究并建立描述液桥形状的方法。通过搭建可视化实验台观察了液桥在竖直平板间的形状,并测量了液桥的接触线和接触角。实验研究了不同体积、不同平板间距、不同平板材料间形成的液桥,并通过实验数据开发了能够描述液桥形状的关联式,包括接触线伸长比和接触角分别与Bond数的关联式。还根据关联式建立了描述液桥形状的方法并将结果与实验数据进行对比,对比结果显示接触线的描述方法平均误差为3.4%,接触角的描述方法平均误差为7.9%。     

竖直平板间液桥形状的观测与预测模型开发

了解析湿工况下液桥对管翅式换热器性能的影响,需要对液桥形状进行实验研究并建立描述液桥形状的方法。通过搭建可视化实验台观察了液桥在竖直平板间的形状,并测量了液桥的接触线和接触角。实验研究了不同体积、不同平板间距、不同平板材料间形成的液桥,并通过实验数据开发了能够描述液桥形状的关联式,包括接触线伸长比和接触角分别与Bond数的关联式。还根据关联式建立了描述液桥形状的方法并将结果与实验数据进行对比,对比结果显示接触线的描述方法平均误差为3.4%,接触角的描述方法平均误差为7.9%。     

竖直翅片间液桥体积计算模型

管翅式换热器在析湿工况下会在翅片间形成大量液桥,液桥体积会影响换热器中冷凝水的排出。提出一种将液面弯曲线沿液桥三相接触线积分的方法计算竖直翅片间液桥体积,其中液桥三相接触线采用椭圆方程描述,液面弯曲线模型基于Young-Laplace方程的计算结果拟合得到。通过液桥三相接触线与液面弯曲线观测实验对提出的液桥体积计算模型进行了验证,结果表明,95%的计算结果与实验的误差范围在±15%内,平均误差为7.12%。     

竖直翅片间液桥体积计算模型

管翅式换热器在析湿工况下会在翅片间形成大量液桥,液桥体积会影响换热器中冷凝水的排出。提出一种将液面弯曲线沿液桥三相接触线积分的方法计算竖直翅片间液桥体积,其中液桥三相接触线采用椭圆方程描述,液面弯曲线模型基于Young-Laplace方程的计算结果拟合得到。通过液桥三相接触线与液面弯曲线观测实验对提出的液桥体积计算模型进行了验证,结果表明,95%的计算结果与实验的误差范围在±15%内,平均误差为7.12%。     

液滴撞击丝网渗漏影响因素及临界准则

捕沫器等化工气液分离设备中,液滴撞击丝网速度超过临界值,部分液体穿透多孔丝网形成子液滴、发生渗漏,将严重影响下游生产的性能与安全。通过可视化实验测量不同丝网表面液滴临界渗漏速度,讨论倾斜角度、丝网结构参数、液滴直径及表面浸润性等因素对临界渗漏速度的影响。液滴渗漏是法向动压力联合水锤压力克服网孔毛细压力的结果。法向动压力是动压力分量,与丝网倾角相关。液滴撞击丝网极短的瞬间,液体受到压缩,产生的水锤压力与液滴投影下的网孔数存在定量关系。毛细压力与气液界面在网孔间的位置及接触角相关。水锤压力及毛细压力均受丝网结构参数影响。通过网孔间气液界面受力分析,有机地整合渗漏影响因素,得到了渗漏临界量纲1准则。该准则与实验结果高度吻合,可为气液分离器设计提供参考。     

液滴撞击丝网渗漏影响因素及临界准则

捕沫器等化工气液分离设备中,液滴撞击丝网速度超过临界值,部分液体穿透多孔丝网形成子液滴、发生渗漏,将严重影响下游生产的性能与安全。通过可视化实验测量不同丝网表面液滴临界渗漏速度,讨论倾斜角度、丝网结构参数、液滴直径及表面浸润性等因素对临界渗漏速度的影响。液滴渗漏是法向动压力联合水锤压力克服网孔毛细压力的结果。法向动压力是动压力分量,与丝网倾角相关。液滴撞击丝网极短的瞬间,液体受到压缩,产生的水锤压力与液滴投影下的网孔数存在定量关系。毛细压力与气液界面在网孔间的位置及接触角相关。水锤压力及毛细压力均受丝网结构参数影响。通过网孔间气液界面受力分析,有机地整合渗漏影响因素,得到了渗漏临界量纲1准则。该准则与实验结果高度吻合,可为气液分离器设计提供参考。     

圆环挡板振荡流连续反应器的结构优化

采用计算流体动力学方法对制备生物柴油的圆环挡板振荡流反应器的液-液两相流进行了数值模拟研究。选取欧拉-欧拉模型描述液 液两相流动,进一步耦合群体平衡模型将液滴的聚并和破裂考虑在内,对湍流模型则采用标准k-ε模型进行描述。在此基础上,对反应器的挡板开孔率和挡板间距等重要结构参数进行了优化。模拟结果表明,在振荡频率为4 Hz、振幅为16~36 mm条件下,通过混合效果、能量耗散和液滴直径分布等情况综合考虑,最适宜挡板开孔率范围为25%~30%,最适宜挡板间距为1.5D。     

超疏水表面液滴蒸发内部流体流动与传热分析

基于椭球模型,模拟了超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴外形、体积、接触角、表面温度和蒸发速率的变化,以及液滴内部温度和流线的分布情况。结果表明:液滴蒸发过程中,液滴顶部局部表面温度最大,接触线处最小,且随蒸发的进行表面温度逐渐减小。液滴体积演变行为区别于亲水表面,这表明基板特性影响了液滴蒸发机理。液滴蒸发初始时刻,全局蒸发速率最大,随蒸发的进行,全局蒸发速率逐渐减小。液滴表面温度分布不均匀使得液滴表面产生了张力梯度,张力梯度引起了液滴内部流体流动;近气液界面处流体由液滴顶部向下流动,液滴内部流体由下向上流动,形成了Marangoni流。流体流动伴随着热量的传递,导致接触线附近温度较低,液滴内部中心处温度较高。     

垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1～0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差（MAE）为11.42%。     

垂直管气液两相环状流界面扰动波频率特性

气液两相环状流的相界面存在扰动波,波动频率是描述环状流界面扰动波特性的关键参数,对环状流的传质传热研究有重要参考价值。利用近红外光的吸收特性,设计了液膜检测装置,采用垂直对射光路设计,并通过置入式导光管屏蔽一侧液膜和气芯夹带液滴,实现了对环状流局部液膜的非接触式检测。在此基础上对界面扰动波进行了频域分析,运用功率谱密度估计,对50 mm管径竖直上升管环状流界面扰动波波动频率进行了定量研究,得到0.1~0.8 MPa不同压强条件下,共70个流动条件的环状流界面扰动波频率值。利用实验结果对现有模型进行验证分析,在此基础上利用Strouhal数描述液相流动条件的影响,利用Froude数描述气相流动条件的影响,建立了预测环状流界面扰动波波动频率的St-Fr模型,经实验数据验证预测的平均绝对误差(MAE)为11.42%。     

Estimation of contact angles on fibers

A droplet of liquid placed on a flat high-energy solid surface spreads to give a thin film so that no macroscopic droplet shape exists. On a chemically identical solid surface with only the geometry changed to a cylinder, the same droplet can have an equilibrium conformation. When the equilibrium conformation is of a barrel type, the profile of the droplet changes rapidly in curvature as the three-phase contact line is approached and the direct measurement of the contact angle is difficult. This work considers the theoretical profile for barrel-type droplets on cylinders and discusses how the inflection angle in the profile depends on droplet parameters. Experimental results are reported for poly(dimethylsiloxane) oils on a range of fiber surfaces and these are used to estimate the equilibrium contact angle from the inflection angle. The drop radius and volume dependence of the inflection angle is confirmed.     

湿工况下泡沫金属内换热和压降的数值模拟和实验验证

泡沫金属应用到换热器空气侧有望提高析湿工况下的换热性能。为了了解湿空气在泡沫金属内的热质传递和压降特性,建立了泡沫金属内液滴形成、生长和运动特性的数值模型。基于液滴成核数目和成核临界半径得出液滴形成过程的传质率模型;通过建立液滴与湿空气相界面附近湿空气中水蒸气的组分守恒方程,得出液滴生长过程的传质率模型;通过对不同孔棱柱表面液滴的受力分析,建立在重力和风力的共同作用下的液滴接触角模型。将液滴形成及生长的传质率模型和接触角模型分别作为质量源项和表面张力源项,加入连续性方程、动量方程和能量方程组中,实现对泡沫金属内液滴生长、形成和运动过程模拟。模型的实验验证结果表明,换热量预测值与实验结果的最大偏差为11.9%,压降预测值与实验结果的最大偏差为17.7%。     

Theoretical analysis of gas stripping performance of spray towers

A simplified model has been developed to describe ammonia stripping process in spray towers. The effect of various operating parameters including air flow rate, contact time, droplet size, liquid to gas ratios and tower height on the performance of such systems has been studied in detail. The results obtained for ammonia stripping have been compared with the limited experimental data available in literature. The predicted results agree reasonably well with the reported experimental data.     

Prediction of curved oil–water interface in horizontal pipes using modified model with dynamic contact angle

In this study, interface shapes of horizontal oil–water two-phase flow are predicted by using Young-Laplace equation model and minimum energy model. Meanwhile, the interface shapes of horizontal oil–water twophase flow in a 20 mm inner diameter pipe are measured by a novel conductance parallel-wire array probe(CPAP). It is found that, for flow conditions with low water holdup, there is a large deviation between the model-predicted interface shape and the experimentally measured one. Since the variation of pipe wetting characteristics in the process of fluid flow can lead to the changes of the contact angle between the fluid and the pipe wall, the models mentioned above are modified by considering dynamic contact angle. The results indicate that the interface shapes predicted by the modified models present a good consistence with the ones measured by CPAP.     

冻结液滴融化过程中的表面及界面演化特性分析

液滴在血浆储存、航空航天等技术领域广泛存在,而其机理研究主要集中在冻结阶段,对融化阶段的研究则相对较少。故此,本文通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同材料表面、不同基底温度下融化过程的动态表面及界面演化模式,总结了液滴表面扩散系数、高度系数、相界面偏离度等形态演化参数与相变时间之间的变化规律并对其展开分析。结果表明：冻结液滴存在3种不同的表界面演化模式;在熔融中后阶段,金属材料（纯铝板、镀锌板）表面冻结液滴的冰相区以颗粒群状分布态融化,冰晶结合度低,而高分子聚合物材料[有机玻璃（PMMA）及聚氯乙烯（PVC）试板]表面冻结液滴的冰相区呈块状分布态融化,冰晶结合度高;金属类材料表面冻结液滴的相变速率高于聚合物类材料表面冻结液滴的相变速率,金属表面相变时间在100s以内,而聚合物表面冻结液滴的相变时间在300s以内;金属表面最大扩散系数分布区间为0.950~1.021,聚合物表面最大扩散系数分布区间为1.000~1.076,温度高,则各类材料表面液滴的微观前驱膜移动受阻,液滴的表面润湿过程受阻;金属表面冻结液滴的高度系数及冰相高度变化率受冰相区变化影响,聚合物表面则主要受温度影响;温度升高会使热量传递过程不稳定,加剧聚合物表面冻结液滴偏离度位移的波动性。     

多聚磷酸改性PBO纤维的研究

采用多聚磷酸及其乙醇溶液(体积比1:1)对聚对苯二撑苯并二噁唑(PBO)纤维进行表面处理。通过单丝拔出剪切强度的测试来表征纤维／树脂的界面粘结性能,并通过液滴形态法来表征纤维的表面润湿性能,利用扫描电镜和X射线衍射分析探讨了表面形态及结晶结构在改性前后的变化。结果表明:PBO纤维经两种溶液分别处理1 min,5 min后,纤维／树脂的界面粘结强度分别提高24％,55％,但单丝强度均下降;纤维与水的接触角由大于90°均降低至45°左右;结晶度从原丝的56.4％分别降低至52.9％,52.3％。