超声波作用下液滴的冷却冻结规律

超声波液体辅助冻结在食品、海水淡化及冰蓄冷等方面的应用得到了广泛关注。结合声场理论,在对液滴界面处热质传递分析的基础上,建立了超声波作用下的液滴冷却冻结数学模型,讨论了不同超声波频率、强度及作用时间对液滴界面处热质传递的影响,得到了超声波作用下液滴的冷却冻结规律。结果表明：超声波作用下界面处的传质系数随着超声波强度的增加而增大,但随超声波频率的增加而减小;在液滴冷却冻结过程中,质量传递与热量传递的方向相同,液滴的冷却冻结在超声波作用下得到了强化。在超声波频率为20000 Hz（强度为400 W·m^-2）,经过相同的时间（60 s）,超声波作用下的液滴温度比无超声作用的温度低2.0~2.5℃。研究将有助于深入理解超声波辅助冷却冻结机理,并为其工程应用提供了指导和参考。     

超声波作用对液滴冷却冻结过程的影响

为了揭示超声波辅助冷却冻结过程中的热质传递机理,在声场理论和热质守恒的基础上,结合液滴冷却冻结过程,建立了超声波作用下液滴冷却冻结数学模型,分析了冷却冻结过程中超声波对液滴温度、液固界面、液滴直径的影响,揭示了冷却冻结过程中超声波空化效应导致传质引起的传热量与超声波热效应产热量的变化规律。结果表明:超声波空化效应强化了液滴表面的传质,有利于液滴的冷却冻结;对于不同频率和强度的超声波,存在合理的超声波加载时间;将超声波作用下液滴冻结过程中液固界面的模拟结果与实验结果进行了对比,二者吻合性好,最大误差10.6%,最小误差0.3%。     

声场作用下含盐液滴冻结过程及组分迁移特性的研究

为了揭示超声波辅助冻结的内部作用机理，明确声场作用下相变冻结过程中的热质传递规律及组分迁移特性，根据声场理论分析了超声波的空化作用和热效应，并在冻结过程能质守恒的基础上建立了超声波作用下液滴相变冻结及盐分迁移数学模型，研究了超声波对液滴冻结过程中气泡状态和液滴温度的影响，分析了不同盐浓度下液滴冻结过程中固液界面、溶液比例、盐度及盐水残余率的变化规律。结果表明，超声波空化作用强化了界面处的热质传递，液滴温度下降较快，有利于液滴的冻结；液滴盐浓度越高，凝固界面的移动越慢，液滴直径为2 mm时，盐浓度5wt%时达到冻结点的时间为15 s，盐浓度8wt%时达到冻结点的时间为20 s；超声波作用下盐浓度越低，冻结过程中盐分迁移变化越剧烈。     

超声波对液滴冻结状态及传热的影响

超声波辅助冻结在食品、医疗及生物化学等领域得到了广泛的应用,为了明确超声波对溶液冻结过程中液固比例、孔隙率的影响,揭示冻结过程中热量的传递规律,在液滴冻结状态实验观测的基础上,结合声学及热质传递理论,建立了超声波液滴冻结理论模型,分析了超声波对液滴冻结状态的影响,比较了超声空化效应所引起的传质散热量和超声热效应引起的产热量的大小关系。结果表明：超声波有助于液滴表面的气泡逸出,气泡逸出率越大冻结过程中液固比例越小;当气泡逸出率一定时,液滴越小冻结过程中的孔隙率越大;超声波一定时,逸出率越小冻结过程中的孔隙率越大;对于冷却冻结过程,不同频率和强度的超声波存在合理的超声波加载时间。     

固体表面温度对冻结液滴的相变过程与表面润湿特性的影响

通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同基底温度下于铝板表面融化过程的动态表面润湿特性,结合力学分析,总结了液滴润湿面积、体积、接触角等润湿参数与相变时间之间的变化规律。实验结果表明：液滴的润湿性主要受重力、表面张力、热毛细力的影响,重力对液滴的横向扩散促进作用、表面张力与热毛细力受底板温度影响具有抑制液滴润湿过程的作用;两种不同条件下,冻结液滴高度变化规律相同,随着融化的进行,液滴高度骤降,然后缓慢降低;不同冻结条件下,冻结液滴的润湿过程主要发生在融化初始阶段,重力促进液滴的润湿过程,液滴接触角处于65°～85°之间,而在润湿后阶段,接触角减小,重力的作用减弱,表面张力的作用增强,液滴的扩散进程受阻,体积下降的趋势也变缓;不同升温条件下,冻结液滴的润湿过程几乎没有发生,热毛细力与表面张力在润湿过程中占据主导性,随着基底温度的升高,液滴内部与三相线温差逐渐增大,Ma数呈增加的趋势,数值由1802增至22876,热毛细力始终抑制液滴的运动。     

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。     

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...     

超声波瞬间脱除冷表面冻结液滴的试验研究

试验研究了超声振荡对冷表面冻结液滴的影响。对施加频率20 kHz的超声振荡作用下冷平板上冻结液滴的脱除现象进行了可视化研究,记录了超声开启瞬间冻结液滴的脱落过程,分析了超声作用瞬间冷平板内部的温度变化规律,探讨了超声振荡瞬间脱除冻结液滴的机理。试验结果表明,超声作用瞬间冻结液滴脱离冷表面,且伴有弹开现象的发生,同时,平板内部出现温度阶跃。分析认为超声机械作用产生的剪切力以及空化作用产生的冲击力的联合作用是冻结液滴瞬间脱除的主要原因。结果表明,超声振荡能够瞬间脱除冷平板表面作为结霜基底的冻结液滴,是一种有效的除霜方法。     

在超声功率辅助作用下催化裂化油浆糠醛抽提研究

重点讨论了超声波对糠醛抽提催化裂化油浆的辅助作用,并对反应温度、剂油比、反应时间、超声波频率等的影响进行了研究。实验结果表明,超声波辅助作用下糠醛抽提催化裂化油浆明显优于未加超声波的抽提效果。当剂油比为2:1,超声波作用4min,温度为70℃,超声波强度为8W/cm2,超声频率为28kHz时糠醛抽提催化裂化油浆效果较佳。     

结晶条件对超高分子量聚乙烯熔融再结晶行为的影响

应用常压差示扫描量热(DSC)仪和高压DSC仪研究了熔融温度、熔融时间、冷却速率以及压力对不同分子量的超高分子量聚乙烯(PE–UHMW)熔融再结晶行为的影响。常压DSC的研究表明,随着熔融温度、熔融时间以及冷却速率的增加,PE–UHMW的结晶峰值温度(Tc)逐渐下降。在相同的熔融温度和熔融时间下,PE–UHMW的Tc随分子量的增加而逐渐增加,但在所研究的冷却速率范围内(2.5～40℃／min),在相同的冷却速率下,Tc随分子量的增加变化不大。高压DSC的研究结果表明,结晶过程中增加压力导致PE–UHMW的Tc有所下降,并且结晶峰半峰宽变大。     

超声波强化技术在化工过程中的应用进展

超声波是一种安全、洁净且价廉易得的能量形式,以超声波为基础的强化技术已广泛应用在化工生产的设备清洗、乳化、破乳、结晶、污水处理以及油品改性等多个过程中。在超声波的辅助作用下,单元过程的传质和传热效率都得到了显著改善,化学反应速率和产品质量提高。从超声波的空化、机械以及热作用机理角度出发,对超声波强化技术在国内外化工生产过程中的最新应用进行综述,介绍超声波频率、强度以及辐射作用时间等操作变量对超声波强化技术强化效果的影响,并提出了超声波强化技术在未来应用中亟需解决的问题,对相关领域具有一定指导意义。     

超声波对聚丙烯结晶过程和热性能的影响

通过差示扫描量热（DSC）分析研究了在超声波作用下聚丙烯（PP）结晶形态、结晶结构的变化。结果表明，超声波作用频率对PP结晶的影响与结晶温度有关联。低温20℃时，随着超声波频率的增大，熔点（tm）、熔融峰对应的最高温度（tp）、结晶度先降后升，高温125℃时则相反。在超声波频率27kHz时，低温时超声波破坏结晶；高温时超声波促进结晶，使晶片变厚，热稳定性增强；在最大结晶速率温度135℃处，超声波对PP热性能的影响作用效果最佳。     

两种盐溶液除湿器的建模与对比

描述了绝热型与内冷型两类平板溶液除湿器的结构特点,在盐溶液竖直降膜与湿空气顺流、充分发展的工况下,基于Navier-Stokes动量方程建立盐溶液与湿空气热、质传递过程耦合数学模型,以LiCl水溶液作为除湿剂,考虑气液界面处的剪切力边界条件,在恒壁温与绝热边界条件下,对两种具有相同尺寸规格的除湿器的除湿过程进行了数值模拟,得到沿高度方向上盐溶液温度、浓度和湿空气温度、含湿量的变化情况,并对两者在相同工况下进行对比,定量描述了两类除湿器在除湿性能上的差异.结果发现内冷型除湿器的出口溶液的温度更低,接近于冷却介质温度,而且处理后的湿空气的含湿量比绝热型除湿器低5.1 g·kg^-1,空气的出口温度也要低近10.5℃,但除湿溶液的浓度变化很小,进、出口浓度差不到1％.     

超声波振动与热床对熔融沉积成型的影响

为了研究超声波振动与热床对熔融沉积成型技术制造出的聚对苯二甲酸乙二醇酯?1,4?环己烷二甲醇酯（PETG）试件力学性能的影响,在现有熔融沉积成型设备的基础上加入超声波振动装置,通过改变超声波功率、热床温度分别获得拉伸试件和压缩试件,并对试件力学性能进行测试。结果表明,在其他成型参数相同条件下,超声波功率在0~30 W以内时,拉伸强度随着超声波功率的增加而增大,但超声波功率过大易使试件发生翘曲变形;超声波振动能提高试件的压缩强度,当其功率为12 W时,压缩强度最大;热床温度为70 ℃时可获得质量较好的试件,但热床温度变化对试件力学性能的影响不显著。     

非均匀润湿表面强化冷凝换热研究

为了研究非均匀润湿结构的强化换热性能,文中通过化学刻蚀结合激光加工的方法在铜基体上制备了亲疏水条纹交错排布的润湿梯度表面。实验观察了试样表面液滴的冷凝及迁移现象,并对液滴的迁移现象进行了动力学分析。结果表明:冷凝过程中,疏水区液滴在重力及亲疏水界面处Laplace压力差的协同作用下可快速进入亲水区,并在亲水流道受到重力的作用快速排走。相比于光滑表面,非均匀润湿表面的液滴更替频率增加,脱落尺寸减小,表面的传热性能得到强化。过冷度及结构参数影响亲水区液滴的排出,进而影响表面的强化换热效果。冷凝换热结果表明:表面的热通量随过冷度的增加而增大,增大趋势逐渐减小;随亲疏水区域面积比的增加先增大后减小;随倾角的增大先增大后减小。     

温度相关工艺参数对外角撑制件双料注射成型质量的影响

基于界面扩散结合理论,利用Moldflow软件研究温度相关工艺参数对外角撑制件界面结合强度和翘曲变形的影响.结果表明:提高先、后注射材料的熔体温度和后注射材料的模具温度以及缩短先注射材料的模内冷却时间均可增加制件界面结合强度;除冷却时间外,制件总体变形随材料注射温度和模具温度的提高均有不同程度的增加,但高度方向的变形却在减小.     

复合材料激光错位散斑检测的数值模拟研究

针对激光错位散斑热加载检测原理复杂、检测参数不易确定、信号不易判读等问题,以61201G玻璃纤维增强复合材料和T300碳纤维增强复合材料为例,通过有限元数值模拟,研究了加载温度、加热时间、冷却时间对检测信号的影响规律。研究表明,碳纤维增强复合材料在检测热载荷作用下,缺陷附近易形成明显的局部变形。提高加载温度,检测信号单调、显著增强。延长加热时间只是在初始阶段明显增强检测信号。冷却时间对检测信号的影响呈非单调变化,有一个缺陷部位与未损伤部位的相对位移由正变负的转折点;玻璃纤维增强复合材料在检测热载荷作用下其缺陷处的温度和变形不显著,但通过提高加热温度、延长加热时间以及选择特定的冷却区间等措施,可明显提高检测信号的强度。     

临界条件(0℃)下溶液蒸发冷冻过程中的传质规律

通过对相际间力学特性的分析,结合湍流的流动特征,考虑了冰体存在孔隙和毛细作用,给出了临界条件(0℃)湿度差驱动下溶液蒸发冷冻过程中的质扩散分析模型,并对溶液在不同状态下(液态、液固共存和固态)气流界面间的质扩散变化规律进行了研究,结果表明,随着溶液从液态向固态的转变,其表面质扩散系数逐渐减小,即表面质扩散能力逐渐减弱,因此,对于溶液自身蒸发冻结过程而言,为了强化溶液表面的质传递和冻结,应控制冻结过程中溶液表面的结冰状况。这一研究结果为蒸发冷冻传质的研究以及强化蒸发冻结的工程应用提供了理论指导和参考。     

振动注射成型中模腔冷却过程的研究

研究了振动注射成型中模腔内聚合物溶体产生的振动剪切热,并研究在振动作用下模腔内物料的冷却过程。结果表明,模腔内熔体的温升速率随着振动频率、应变振幅及振动剪切速率的增加而增加,随熔体温度的增加而减少。由于振动剪切换,使振动注射成型需要更长的冷却时间。     

Al_2O_3纳米流体液滴蒸发特性的数值模拟研究

纳米流体液滴蒸发现象在电子设备冷却、喷墨打印以及医学检测等领域都有广泛应用。为了研究水基Al_2O_3纳米流体液滴的蒸发特性,建立了纳米流体液滴蒸发的二维瞬态模型,考虑了纳米颗粒输运行为以及液滴内部流动的影响,并采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)捕捉气液运动界面。基于所建立的模型,分析了水基Al_2O_3纳米流体液滴内部Marangoni流、纳米颗粒初始浓度以及基板温度对纳米流体液滴蒸发特性的影响规律。结果表明,液滴内部Marangoni流会影响气液界面温度分布和蒸发速率。由于液滴内部纳米颗粒浓度分布和气液界面温度发生变化,纳米流体液滴的蒸发速率随着纳米颗粒初始浓度和基板温度升高而增加。