舞动的液滴:界面现象与过程调控

液滴动态行为的调控在包括微化工、相变传热、喷雾冷却、农药喷洒、微流控芯片等领域都具有广泛的应用。液滴润湿过程包含着复杂的固液界面现象,借助界面效应对液滴动态行为进行调控是液滴调控领域的热点方向。将围绕多尺度润湿、界面结构驱动的液滴动态行为等过程中的若干科学问题进行综述。首先介绍了多尺度表面润湿基本理论,讨论了核化过程、液滴多尺度润湿、液滴弹跳和液滴多向迁移过程及液滴撞击固体表面过程中的固液界面作用机理,并展现了液滴动态调控在相变传热、喷墨打印、农药喷洒和微流控等工业过程的调控作用、应用以及主要发展趋势和方向。     

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。     

油水两相流管道内液滴形成过程研究

油水两相流在管道中流动时会形成多种流型,其中一相形成液滴分散到另一相中是常见的流型之一,液滴粒径及其分布会影响油水两相流的流动特性,因此液滴的形成是研究油水两相流的基础。本文研究了两种白油和水在内径25.4 mm的不锈钢管道内形成的油水两相分散流,通过高速摄像系统拍摄等动量取样装置上有机玻璃样槽中流动状态下的分散流来获取液滴的图像,捕捉有代表性的过程。研究发现,液滴形成过程中剪切破碎和碰撞聚结现象同时发生,并最终达到动态平衡,宏观表现为两相流系统流动参数达到稳定,得到了液滴剪切破碎、碰撞聚结和形成稳定液滴的时间以及各过程中的液滴特性和泵对形成稳定液滴时间的影响。实验结果表明,泵的存在对油水两相分散流的特性有较大影响。     

气液两相流界面多尺度问题可计算性研究进展

气液两相流复杂多变的界面结构在瞬态时间上具有宽广的空间尺度范围.界面多尺度问题涉及化工领域、核安全领域以及其他多个领域,其可计算性是当前国内外气液两相流领域的研究焦点之一.分析了欧拉体系下处理气液两相流相界面不连续性的两种基本模型以及湍流模拟方法对界面结构的影响.针对离散流界面尺度分布性和混合流界面跨尺度性两类多尺度问题,分析了可计算性研究面临的困境,将其归因于网格尺度的约束、几何及物理边界的缺失.重点归纳了混合流界面跨尺度性问题的计算方法以及典型应用.最后对气液两相流界面多尺度问题提出了应对策略及研究趋势,为此类问题研究提供有益的参考.     

双液滴碰撞行为及调控机制的研究进展

双液滴碰撞行为广泛存在于雨滴形成、燃油喷雾、喷雾冷却、喷墨印刷、农药喷洒等自然现象与工业应用过程中,其碰撞结果会受到液滴参数及气相环境等因素的综合影响,研究双液滴的碰撞行为规律及调控机制一直是该领域的热点。结合目前双液滴碰撞的实验进展和数值模型,将围绕着碰撞行为的主控因素与调控机制展开综述,具体介绍了碰撞参数、液滴理化性质、气相环境等因素对液滴碰撞行为的影响规律与调控结果,并展望了液滴碰撞理论及应用的发展趋势和方向。     

改进的T型微通道内双水相液滴的制备

研究了改进的缩口T型微通道和毛细管嵌入阶梯式T型微通道内双水相液滴的制备,基于液滴尺寸对这两种微通道进行了比较。结果表明,其流型为喷射-弹状流和喷射-滴落流,流型的转变受到两相流率控制。而在毛细管嵌入阶梯式T型微通道内,液滴的生成范围和稳定程度明显优于缩口T型微通道。在两个微通道内液滴生成尺寸的变化规律是相似的,均随着连续相流率的增大而减小,随着分散相流率的增大而增大,但毛细管嵌入阶梯式T型微通道内生成的液滴尺寸相较于缩口T型微通道更小。建立了液滴尺寸的预测模型,对两种微通道均具有良好的预测效果。     

Y聚焦型微通道内磁流体液滴的生成与调控

利用高速摄像仪研究了截面为400 μm×400 μm Y聚焦型微通道内磁流体液滴在矿物油中的生成过程。以水基磁流体EMG 807为分散相,含4%表面活性剂Span-20的矿物油为连续相。实验观察到了3种流型：弹状流、滴状流和喷射流。分别考察了两相流量、连续相毛细数及磁感应强度对液滴尺寸及生成过程的影响。结果表明：可通过改变两相流量及磁场调控液滴尺寸。当分散相流量不变时,液滴尺寸随着两相流量比的增加而减小。液滴尺寸随着连续相毛细数及磁感应强度的增加而减小,随着分散相流量的增加而增加。以两相流量比、连续相毛细数和磁Bond数为参数提出了一个液滴尺寸的关联式,预测值与实验值吻合良好。     

微通道内表面活性剂与界面传递现象研究进展

表面活性剂在微流体应用中具有重要作用,常伴随动态界面传递现象。综述了微通道内含表面活性剂的多相流研究进展,剖析了液滴尺寸、液体流变性、压力降与微流体中动态界面张力的关系。总结了表面活性剂作用下的界面传递现象,如气泡及液滴的生成、运动、形变、破裂和聚并动力学的研究进展。综述了微流体中表面活性剂的吸附动力学,对该领域的发展方向进行了展望。     

随机粗糙表面上剪切变稀流体液滴的沉积过程模拟

采用计算流体力学相场方法模拟了单个剪切变稀非牛顿流体液滴在随机粗糙表面的沉积过程,并分析揭示了随机粗糙表面形貌对液滴运动状态及平衡状态的影响。结果表明,在指定的相同操作条件下,即使在光滑表面,剪切变稀流体液滴比牛顿流体液滴铺展更大且回缩至平衡所需时间更少,不存在二次铺展;剪切变稀流体液滴最大铺展直径随均方根粗糙度Rr与Wenzel粗糙度Wr的增加而略有增加。Wr相同时,随着Rr增大,液滴最终铺展系数减小,高度系数增大,平衡接触面积及接触角有所减小。在Rr相同情况下,随着Wr增大,液滴达到平衡所需时间缩短,平衡接触面积线性增大。     

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...     

多回路平板式环路热管热性能

为解决高热通量电子元器件的散热问题,制备了一款尺寸为200 mm×150 mm×30 mm的新型多回路平板式环路热管,该热管采用多气液管路与微针肋阵列蒸发板耦合的设计,能够在有限空间内提高热量传输效率。研究了热通量、充液比和工质物性对环路热管传热特性的影响,测试了不同功率下环路热管的启动特性,并对单热源和多热源环境下的热性能进行了比较。结果显示：该新型环路热管启动迅速,300 W功率下启动时间仅为52 s,稳态后热源表面温度波动小于0.3℃。在3个热源同时加热,总输入功率为388.8 W（主热源热通量可达133 W/cm2）时,加热面的温度低于85℃,蒸发器内没有出现干烧现象,有效满足了大功率高热通量散热需求。     

基于群体平衡原理的蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾数值模拟

基于相似原理建立了耦合四叶梅花形支撑板的蒸汽发生器“单元管”三维物理模型。采用考虑汽泡聚合与破碎效应的MUSIG （multiple-size-group）模型描述二次侧汽泡尺度分布和水力特性,热相变模型计算二次侧汽液两相沸腾相变过程,对大亚湾蒸汽发生器汽液两相流动与沸腾过程进行数值研究。模拟结果表明,支撑板位置处汽、液相流速均急剧升高,产生射流,在离开支撑板孔口时迅速形成回流。两相邻支撑板间出现明显的汽泡由小到大的周期性变化过程,冷、热端沿程汽泡最大直径缓慢减小。二次侧平均传热系数与Rohsenow经验关联式的计算结果吻合较好。     

非均匀气固两相系统中多尺度传质模型

建立了适用于气固循环流化床的多尺度传质模型 .从过程与尺度的角度出发 ,将非均匀气固两相流中的传质过程分解为静态与动态的过程 ,并将前者分解为稀相内、密相内以及稀密相间 3个尺度下的传质 ;在用多尺度能量最小 (EMMS)模型求解已知物系性质和操作条件的非均匀气固两相流体动力学参数的基础上 ,借助于前人的研究结果 ,利用相对滑移速度、空隙率等参数求解传质系数 ,求得轴向的浓度场分布 ,并讨论非均匀两相流动结构对传质效率的影响     

两相厌氧工艺在废水中的应用

两相厌氧工艺因产酸相和产甲烷相的分离而具有一系列的特点。在此对两相厌氧系统进行了分析,阐述了它的理论依据和运行机理,剖析了两相厌氧工艺的影响因素、工艺特点,并对其发展和实际应用现状进行了论述。表明此工艺的先进性和适用性。     

倾斜管内两相流流型的实验研究

为了进一步了解倾斜向上管倾角对管内空气和水二相流流型转变的影响。本实验在两相流实验室进行,记录和总结实验数据,进而获得流型图。分析了空气-水形成两相流通过管长8 m,有机玻璃直径20 mm,分别将管倾斜5°,15°和25°,所得的数据采集。通过在相同管径条件下的倾斜管在不同倾斜角下流型出现的区域对比,得到管的倾斜角度对流型变化的影响。     

摇摆工况下窄矩形通道内两相沸腾摩擦压降特性

为了研究摇摆工况下窄矩形通道内的两相摩擦压降特性,进行了一系列的热工水力实验和理论分析。结果表明,摇摆工况下流体会受到附加惯性力的作用且实验回路的空间位置也会出现周期性的变化,两相摩擦压降梯度的波动振幅随着摇摆角度和摇摆周期的增加而增加;随着通道热通量的增加或者系统压强的减小,两相摩擦压降梯度的波动振幅和时均值逐渐增加。窄矩形通道内的质量流速随着两相摩擦压降梯度的波动而波动,且具有相同的波动周期,由于流体加速和压力传播的速度不同,流量波动和摩擦压降波动存在约1/4周期的相位差。     

绕管式换热器壳侧降膜流动和相变传热的数值模拟

为了定量描述绕管式换热器壳侧降膜蒸发特性并进而优化换热器结构,建立了绕管式换热器壳侧降膜蒸发过程流动与传热的数值模型。首先对降膜流动过程中流型变化和传热传质机理进行分析;通过对降膜流动过程液膜所受表面张力、重力和剪切力的计算,实现层状流、柱状流和滴状流等不同流型的模拟;通过管壁面和气液交界面的组分守恒建立降膜蒸发过程的传质子模型,并基于传质速率计算得出潜热传热速率。将数值模拟结果与已有文献中实验数据进行了对比,结果显示89%的模拟数据与实验数据偏差不超过25%;模拟结果与实验数据吻合较好。基于提出的模型,对不同工况下的绕管式换热器壳侧降膜蒸发传热传质规律进行了分析。     

跨/超临界多相射流过程瞬态密度场可视化实验

利用一种改进的高时空分辨率相移干涉仪,探究跨/超临界射流过程中不同于亚临界条件下的射流特性,测量了不同跨/超临界射流过程中相变化界面的瞬态密度场。相移干涉仪采用马赫-曾德尔型干涉仪的基本排布,通过像素阵列掩模法实现了传感器同时获得多相位的干涉图像,空间分辨率可达3.45μm,时间分辨率可达0.001s。实验中通过相移干涉仪实现了对液相-超临界相、超临界-气相射流过程的可视化研究,实时定量化测量了瞬态密度场。结果表明,液相流体射流到超临界环境中（p_r=1.01,Re=79.738）,射流界面不会产生类似亚临界条件下的微小液滴,而是在边缘出现高度褶皱的相平衡层,与文献取得一致的结果;可视腔底部的射流流体密度初始处于712.82kg/m³,随着射流的进行,与周围低密度流体相互作用,密度降低到310kg/m³。超临界相流体射流到气相环境中（p_r=0.98,Re=87.340）,射流界面发生破碎;随着高密度射流流体（314.99kg/m³）从底部向上流动,底部的密度逐渐降低到288.12kg/m³,射流相变化界面的法向有很大的密度梯度,最大值为1.565×10⁴kg/m⁴。