微柱表面液滴定壁温沸腾实验研究

利用高速摄像技术对去离子水液滴撞击微柱结构表面后的蒸发及核化过程进行观测。实验测得不同壁面温度下液滴蒸干时间,获得液滴沸腾曲线;发现相对光滑表面,微柱表面在50、60、70、80、120℃强化相变换热,120℃时强化比例最大,达到35.71%;壁温为90、100、110℃时,微柱表面无强化作用。从液滴直径和厚度的变化可知微柱表面液滴蒸发分为两个阶段:第一阶段,液滴直径不变,厚度变化;第二阶段,液滴厚度接近微柱高度,直径减小。随壁温升高,第一阶段时长显著缩短。液滴内部核化点密度和气泡平均直径随壁面温度的升高均有明显增大的趋势。需指出的是,液滴冲击对微柱表面液滴内部核化点分布有重要影响,受微柱结构及滴落冲击作用液滴内部成核气泡沿液滴半径呈辐射状分布。     

单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

针对核态沸腾过程,利用高速摄像机和红外热成像设备对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理。由沸腾曲线可知,光滑硅表面,沸腾起始过热度为6℃,而三种微结构表面,起沸过热度为3～4℃;同时,微坑、槽型微柱和均匀微柱表面核态沸腾的CHF较光滑表面分别提高了109%、129%和140%。动力学演变过程则证明了微坑的存在为核化沸腾提供了核化点,有效降低了核化能垒、缩短了壁面蓄能阶段的时长。微柱的存在大幅度增加了气泡核化密度,减小了脱离直径,缩短了脱离时间,促进了沸腾表面温度的均匀化。     

微柱结构表面核态沸腾单气泡的数值模拟

利用计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）对三维均匀微柱结构表面单气泡核态沸腾过程进行数值模拟研究,使用VOF模型（volume of fluid model, VOF）在界面网格追踪加密的条件下精确捕捉气液界面,同时考虑气液界面和微层处的蒸发,准确获得三维微柱表面单气泡核态沸腾过程中的气泡动力学、温度演化和蒸发换热性能。结果表明,气泡脱离时间为1.79ms,体现了微柱结构促进气泡脱离的强化作用。通过气泡横向和纵向直径的变化准确表征了气泡在脱离过程中的变形过程,并模拟得到该过程流场热边界层及壁面温度的演变规律。同时,通过微层蒸发和气液交界面蒸发功率随时间变化的监测,指出气泡生长过程微层蒸发量占总蒸发量的52%;t=0.95ms后微层蒸发消失,气液界面蒸发维持相对稳定值（0.1~0.2W）直至气泡脱离。蒸发换热特性耦合气泡与壁面接触情况随时间的变化,揭示了单气泡核态沸腾过程蒸发换热机理的阶段性特征及时间分区,为在核态沸腾单个气泡生长脱离过程中更准确划分时间阶段、建立沸腾换热模型奠定基础,提供了参考。     

液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测,分析了不同实验流体的沸腾现象特征,探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现,壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象,由于气泡夹带伴随强烈的核化作用,氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生,醇类液滴则发生完全反弹;壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象,与半球形气泡不同,宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子,发现铺展因子仅受Weber数影响,与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。     

单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

针对核态沸腾过程,利用高速摄像机和红外热成像设备对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理。由沸腾曲线可知,光滑硅表面,沸腾起始过热度为6℃,而三种微结构表面,起沸过热度为3～4℃;同时,微坑、槽型微柱和均匀微柱表面核态沸腾的CHF较光滑表面分别提高了109%、129%和140%。动力学演变过程则证明了微坑的存在为核化沸腾提供了核化点,有效降低了核化能垒、缩短了壁面蓄能阶段的时长。微柱的存在大幅度增加了气泡核化密度,减小了脱离直径,缩短了脱离时间,促进了沸腾表面温度的均匀化。     

液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测,分析了不同实验流体的沸腾现象特征,探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现,壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象,由于气泡夹带伴随强烈的核化作用,氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生,醇类液滴则发生完全反弹;壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象,与半球形气泡不同,宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子,发现铺展因子仅受Weber数影响,与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。     

尿素水溶液液滴的蒸发特性

在石英管式炉上通过挂滴法来观察单个尿素水溶液（urea-aqueous-solution,UAS）液滴的具体蒸发过程,比较了不同环境温度以及不同初始直径大小下液滴的蒸发特性。结果表明,尿素溶液液滴在100～1300 ℃的温度范围内呈现出了不同的蒸发行为。在较高的温度下,液滴的蒸发行为较为复杂,如气泡的产生、液滴的变形以及发生微爆的现象;但是,随着环境温度的降低,这些现象就变得非常微弱甚至消失。同时,还定量分析了稳态蒸发常数与温度、液滴初始直径之间的变化关系,发现在初始直径为2.5 mm、温度在100～600 ℃之间变化的情况下,稳态蒸发常数从0.02075 mm2/s增加到了0.23953 mm2/s,增大了10倍左右。此外,还对气流流速为0.25～1.25 m/s范围内的液滴蒸发特性作了实验研究。当液滴周围有强迫气流存在时,液滴与气体间的换热方式由导热转变为对流换热,从而增强了液滴表面的传热传质能力,促进了液滴的蒸发。     

池沸腾孤立气泡生长过程中微液层蒸发影响的实验和模拟耦合分析

微液层蒸发是沸腾过程中重要的换热机理。本文旨在通过单个气泡池沸腾实验中测得的气泡动态参数探究孤立气泡生长过程中加热表面的换热机理。首先通过沸腾池和加热表面的严格设计实现了单个气泡沸腾。进一步通过对孤立气泡生长时序图像的处理,得到了气泡在一个生长周期内气泡直径、纵横比以及气泡根部基圆半径的变化。对比发现,气泡生长速率与气泡根部基圆半径随时间的变化呈现显著正相关,而与大液层区域的变化相关程度较低,这表明微液层蒸发直接影响气泡体积变化,在孤立气泡沸腾过程中起主导作用。在此基础上进一步建立了加热表面换热过程的数值模型,基于实验中测得的气泡动态参数对气泡底层的微液层厚度进行了预测;通过多次迭代计算并匹配气泡生长速率和加热棒的温度发现,当表面过热度为4.82 K时,气泡底层微液层厚度约为3.43 μm,与相关文献中的微液层厚度测量值基本一致,进一步证实了微液层蒸发在孤立气泡沸腾换热过程中的重要性。本研究揭示了孤立气泡池沸腾过程中近壁面处的换热机制,为进一步的孤立气泡沸腾传热过程数值模拟奠定了理论基础。     

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。     

电场作用下基面液滴蒸发与内部流动数值模拟

为探究电场强化基面液滴蒸发的原理,本文采用有限元方法,对外加电场作用下的固体基面上液滴的蒸发过程进行了数值模拟,对比了不同电导率液滴的蒸发过程,分析了电场、液滴蒸发速率和内部流动的影响及其成因,以及液滴在电场作用下的内部流动与液滴传热传质的关系,结果表明,电场力的作用能够显著强化液滴内部的流动,对液滴的传热传质具有促进作用。此外,本文分析了温度对电场下基面液滴蒸发及内部流动的影响,发现温度对电场、液滴内部流动及蒸发的强化作用也有着较为明显的影响：对于电导率较低的纯水液滴,当电场强度低于和高于临界值6kV/cm时,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响有所不同;对于电导率较高的盐酸液滴,温度对电场强化液滴内部流动和蒸发的影响随电场强度升高均较大。本文为发展高效静电喷雾冷却技术提供了研究基础。     

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。     

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。     

超疏水表面太阳能加热金-水纳米流体液滴蒸发特性

实验研究了超疏水表面上太阳能加热金纳米流体液滴蒸发特性。用高速摄像机和红外摄像机同步触发记录了2 μl不同浓度金纳米流体液滴在超疏水表面的蒸发过程。通过一系列实验，观察对比不同浓度金纳米流体液滴蒸发过程中体积、接触角、接触直径、液滴表面温度以及蒸发速率等动态特性。结合水蒸气扩散模型以及红外温度图分析液滴在超疏水表面上的蒸发过程中蒸发通量变化以及表面温度变化等特性。发现不同浓度纳米流体液滴蒸发速率基本一致；超疏水表面上液滴蒸发以常接触角模式为主，后期呈现混合模式蒸发；液滴蒸发过程中，液滴上半部分蒸发通量大，致使液滴表面温度较低。     

Droplet evaporation and solute precipitation during spray pyrolysis

The process of spray pyrolysis was investigated theoretically using a model that describes the evolution of the droplet size, solvent vapor concentration in the carrier gas, and both droplet and gas temperatures along the reactor axis. The model also accounts for solute concentration profiles and solute precipitation in the solution droplets. The model was used to describe the evaporation of sodium chloride aqueous solution droplets in diffusion dryers and hot-wall reactors as a function of reactor residence time, droplet size (a few microns), solution molality (up to 2 M), droplet concentration (10⁶–10⁷ cm⁻³), relative humidity of the carrier gas (0–50%) and reactor wall conditions. Decreasing initial droplet size and solution molality accelerated droplet evaporation and resulted in smaller droplets at the onset of solute nucleation. Decreasing droplet concentration and carrier gas inlet relative humidity as well as increasing wall temperature (up to 350°C) or axial wall temperature gradient (up to 100°C cm⁻¹) increased the droplet evaporation rate, but did not change appreciably the droplet size at the point of precipitation for a given droplet size and solute concentration. Thus, control of droplet size at the onset of solute nucleation by varying process parameters other than the solution concentration and initial droplet size is limited.     

盐水液滴降压环境下蒸发过程

盐水溶液在降压环境下的蒸发过程的研究,主要集中在海水淡化领域的降膜蒸发过程应用方面和工业制盐方面的平坦表面的蒸发过程的研究。而本文主要集中研究各种实验因素对于液滴温度变化的影响。对于多组分液滴降压环境下相变过程的研究,实验采用浓度为15%和6%的盐水溶液作为一组比较工质,在初始环境压力为94.5～97 kPa,最终环境压力范围为50～3000 Pa,液滴的初始温度范围为7～30℃,初始直径范围为1～3 mm的条件下进行实验。通过实验数据分析可知:盐水液滴在降压蒸发过程中的中心温度变化有析盐和不析盐两种现象,随着水分不断地蒸发,当液滴浓度达到22.4%而且温度足够低时就会析出盐分,否则,不会出现析盐现象;同时分析不同浓度、不同最终环境压力、不同初始温度和不同初始直径对液滴相变过程和温度变化的影响,并且观察环境压力降低和液滴温度变化之间的关系。     

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。     

Distinctive combustion stages of single heavy oil droplet under microgravity

This report presents an investigation on the combustion of single droplets comprised of heavy oil and oil mixtures blending diesel light oil (LO) and a heavy oil residue (HOR). The tests were conducted in a microgravity facility that offered 10 s of free-fall time. Fine wire thermocouples supported the droplets, resulting in a measurement of droplet temperature history. Additional data were the droplet and flame size history. The results identified four distinctive burning stages between ignition and extinction for heavy oil (C class) and HOR-LO blends. They are, in succession, the start-up, inner evaporation, thermal decomposition (pyrolysis) and polymerization stages. The start-up stage denoted an initial transient period, where the LO components burned from the droplet surface and the droplet temperature increased rapidly. The latter three stages featured pronounced droplet swellings and contractions caused by fuel evaporation and decomposition inside the droplet. An evaporation temperature demarcated the start-up stage from the inner evaporation stage, and this temperature corresponded to a plateau in the temperature history of the droplet. Two additional temperatures, termed the decomposition and polymerization temperatures, indicated the ends of the evaporation and decomposition stages. These temperatures were similarly identified by plateaus or inflection points in the time-temperature diagram. The evaporation temperature gradually decreased with increasing the initial LO mass fraction in the droplet, whereas the other two temperatures were almost independent of the oil composition. All three temperatures increased with decreasing initial droplet diameter, but the dependence was very slight. Based on the results, the combustion of heavy oil droplets appears to be dominated by a distillation-like vaporization mechanism, because of the rapid mass transport within the droplets caused by the disruptive burning.