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。     

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。     

液液体系界面上的液滴聚结特性

<正>众所周知,分散相液滴的大小影响液液萃取设备的处理能力和传质效率.Garg和Pratt对脉冲筛板柱的研究及Hamilton和Pratt对填料柱的研究均表明,液滴大小受液滴聚结和破碎速率控制.聚结速率对混合澄清槽的澄清室设计极为重要,并已成为许多科学工作者的研究课题.如Jeffreys等对连续澄清器性能的宏观研究及水平界面上单液滴聚结特性的研究等.单液滴研究有助于判别聚结时作用在液滴上的一些重要的作用力.一般说,聚结过程包括以下步骤:     

喷雾冷冻法单个液滴冻结过程模拟

喷雾冷冻液滴的冻结过程决定着干燥产品的微结构。本文以单个雾化液滴为研究对象,利用数值模拟的方法研究了液滴大小、气体流速和环境温度3个参数对其冻结过程的影响。结果发现,液滴越大冻结时所需的形核时间和完全固化时间越长,而且冻结过程随着气体流速的增大和环境温度的降低而缩短。通过方差分析发现,液滴大小较气体流速和环境温度对液滴完全固化时间的影响有较显著差异。液滴冷冻过程中,其质量损失率随着液滴大小的增大而略有减小,随着气体流速的增加及环境温度的降低而减小,其中环境温度对液滴质量损失率的影响最大。     

固体冷表面上液滴凝结过程分析

液滴凝结的换热方式在航空航天工程、蒸汽动力工程、化学工程等工业领域有着广泛应用,滴状凝结更利于强化换热,大多研究专注于单个液滴凝结过程的研究,本文对液滴凝结群的性状特征进行研究,通过可视化的试验设备观察四氟乙烯平板冷表面上的液滴凝结过程,探究在不同过冷度以及相对湿度情况下冷表面上液滴凝结过程的变化规律。试验结果表明：相对湿度较过冷度来看对液滴凝结速率影响最大;第1代液滴数量随凝结时间呈正态分布,不同过冷度下液滴数量峰值出现时间为180~480s,均集中在1.0×10¹²~1.6×10¹²区间,高相对湿度下液滴合并时间短,更快进入第2代液滴凝结过程;第2代液滴形成过程中,不同相对湿度下高过冷度液滴数量峰值均高于低过冷度,80%RH时过冷度24K是22K的近2倍;面积率峰值均集中在75%~82%区间,稳定后面积率在65%~85%之间波动。在工程实际中在对液滴状态特定需求下进行环境条件的选取以及对应环境条件下对液滴特性的预测判断具有指导意义,提高冷凝换热设备的换热性能对节约能源、原材料和保护环境等方面具有积极意义。     

不混溶液体表面上蒸发液滴的动力学特性

针对不混溶均匀受热液体表面上蒸发液滴的动力学过程,基于润滑理论推导出了无量纲方程组。采用数值模拟方法,探究了蒸发液滴的动力学特性。结果表明,蒸发液滴的演化过程分为两个阶段:由"铺展主导"的液滴前进阶段和由"蒸发主导"的持续脉动振荡的后退阶段。液滴在低黏度比下的流动性更强,导致铺展更加迅速,黏度比的增加会导致铺展和收缩速率的降低。蒸发通过影响液滴界面的温度分布进而影响界面张力以及液滴铺展。相较于固体表面液滴蒸发出现的钉扎现象,蒸发液滴在不混溶液体表面上的铺展是去钉扎的,并且伴有液体基底的明显变形。     

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。     

融化过程中作为潜能储存材料的月桂酸的热特性的实验研究

The objective of this study was to establish the thermal characteristics of the lauric acid (95% purity) as a latent heat storage material filled in the annulus of vertical concentric double pipe during its melting process,The temperature data were used to determine the thermal characteristics,including the temporal temperature variations and the effects of the mass flow rate and the inlet temperature of the heat transfer fluid on the heat transfer coefficient and the heat charging fraction during the melting process,The results indicated that the time to reach to heat charging fraction of 1.0 could be altered by changing the mass flow rate and the inlet temperature of the heat transfer fluid.     

液滴聚结过程中随机因素的分析

推导了扩散相液滴运动轨迹模型和基本流模型,并优化了计算方法,同时,将分层二相流中的界面波用于聚结机理的研究。直接数值模拟结果表明:波数对液滴在界面处的平均速度、相对速度及绝对速度的影响不明显,但对液滴所受到的不平衡剪力有显著的影响;波数的变化将使液滴的旋转运动具有倾向性,较大的波数比较小的波数对液滴的运动方式影响显著;界面波的存在使得液滴的运动方式更具有复杂性,尽管流动状态为层流,界面波的存在也会使液滴所受到的不平衡剪力与液滴直径的关系曲线发生变化,其中既包含有随机因素也包含有确定性因素;波数对阿基米德数与雷诺数的关系曲线的影响也具有一定的随机因素,但这些曲线的偏移量变化不大,这将为理论计算和工程上的简化应用提供一个良好的平台。     

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。     

国产T800S级碳纤维表面特性对复合材料界面性能影响研究

对两种国产T800S级碳纤维与进口T800S碳纤维表面特性及其复合材料界面性能的关联性进行了研究。通过扫描电镜（SEM）与原子力显微镜（AFM）对三种碳纤维的表面形貌与粗糙度进行了表征;采用X射线光电子能谱（XPS）对三种碳纤维表面化学官能团比例进行了分峰计算;通过碳纤维表面静态接触角对纤维表面浸润性进行了分析。制备并表征了碳纤维NOL环与单向复合材料的力学性能与微观破坏形貌,通过对比分析确定了影响复合材料界面性能的关键性因素,对复合材料界面性能的进一步提升具有指导意义。     

大分子键合处理氢氧化铝的表面性质及其与常用聚合物的界面特性

本文研究了经大分子以键合方式包覆处理的氢氧化铝粉末的表面性质以及其与常用聚合物的界面特性。结果表明：（１）与未处理过的氢氧化铝相比，非极性液体与处理过的氢氧化铝压片的接触角变化较小，而极性液体与它的接触角一般明显增大。（２）改性后的氢氧化铝的表面张力均明显下降，其中表面张力的极性分量大幅度下降而色散分量稍有提高。与常见聚合物的界面张力以及它的极性分量和色散分量均下降。（３）用弹性体处理的氢氧化铝的     

疏水表面结霜初期液滴生长的理论分析

研究了自然对流条件下疏水表面结霜初期冷凝液滴的生长过程, 建立了考虑不凝气影响的液滴传热及生长模型, 分析了表面接触角和冷面温度对液滴生长的影响。结果表明, 液滴生长过程中的主要热阻为液滴内部导热热阻和相界面热阻, 随着表面接触角的增大, 这两个主要热阻均增大, 因此表面疏水性越好, 液滴生长越缓慢;而由于冷凝传热温差随冷面温度降低而增大, 因此冷面温度越低, 液滴生长越快。     

气液传质液滴界面的Marangoni对流

通过氮气吹扫双组分液滴,用激光投影法定性观察由于轻组分向气相扩散导致的Marangoni对流结构,结果表明Marangoni对流以小尺度涡流结构和大尺度对称循环流动的形式出现,其中乙醇-水体系首先出现小尺度涡流结构,涡流不断长大合并;丙酮-水体系则以大尺度对称循环对流结构为主,随后在近界面处形成小尺度涡流结构。采用氮气吹扫乙醇-水及丙酮-水静止悬垂单液滴的方法,通过比较实验测量传质系数与理论预测值,表明液滴近界面处Marangoni对流小尺度涡结构对传质促进作用较小,而液滴内大尺度循环对流结构对传质促进作用大。     

旋转液滴法测界面张力的模型分析与应用

在进行旋转液滴法测界面张力的实验过程中,在液滴体积小或者界面张力值大的情况下,提高转速不能达到仪器测试的条件要求。对旋转液滴法测界面张力的模型进行分析,首先给出了旋转液滴椭圆形态计算界面张力的求解模型,对参数的敏感性进行了分析的同时刻画了椭圆边界的形态特征;其次根据建立的模型求解过程形成的数据库,建立了求解旋转液滴椭圆形态计算界面张力值的图版方法和迭代算法;再次列举出了一个新的求解方法,最后对以上各种计算方法进行了实例应用。研究认为各种方法下,推荐对液滴长度和直径都进行测量。     

液滴撞击亲疏水间隔条纹表面

在高温高压环境下,将线切割成特殊形状的铝片镶嵌在树脂表面,再通过CuCl₂溶液对铝表面腐蚀,利用硬脂酸无水乙醇溶液的恒温水浴,进行表面修饰,适当处理得到亲水区域与疏水区域共存的复合表面。采用高速相机记录了液滴撞击水平与倾斜表面的动力过程,实验结果表明：液滴撞击水平放置的亲疏水复合表面时,其铺展过程与液滴撞击单一润湿性表面相似,但收缩行为差异化明显。液滴在亲疏水间隔表面收缩时,液膜会因亲疏水性并存而产生高度差。液滴撞击倾斜亲疏水复合表面时,液滴撞击的速度越大,其在斜面进行的位移量越大,速度过大的情况下液滴不会被宽度为20mm的斜面捕获;当速度为定值,Oh数越小,液滴跨越的亲疏水段越多,Oh数过小的情况下液滴不会被斜面截留;其他参数不变,比值系数H越小,液滴更易被斜面捕获。     

超疏水表面液滴合并诱导弹跳现象分析

在紫铜基表面上制备了具有微纳结构的十八烷基硫醇自组装超疏水表面,采用高速摄像和显微技术研究了水平表面上液滴合并运动特性。实验结果表明,超疏水表面上液滴合并过程中释放出的表面能可以克服表面黏附作用诱发液滴弹跳现象,液滴越小,弹跳高度越大。考虑液滴表面黏附功、液滴运动引起的黏性耗散能等,根据能量守恒原理进行了理论分析。理论分析结果表明,液滴合并诱导弹跳现象存在最小液滴半径约为39.9 μm;随着液滴半径的增大,液滴弹跳高度增大,液滴半径为83.7 μm时达到弹跳最大高度点,随着液滴半径继续增大,液滴弹跳高度减小,直至最大半径约3.9 mm时,无液滴弹跳现象发生而是在合并位置发生脉动。     

超亲水多孔表面的小液滴发射行为及动力学特性

构建了4类不同的超亲水微/纳多孔结构,通过低速液滴撞击实验研究了多孔介质的结构参数如微/纳尺度特征、孔隙率以及表面粗糙度等对液滴行为和动力学特性的影响。结果表明：多孔表面液滴的早期扩散符合惯性扩散的幂函数规律,并且纳米级结构孔隙率的变化对幂函数关系无显著影响,微米级结构C和α的值随孔隙率增大而降低,粗糙度的提高能够导致C值增大。发现了两种新颖的小液滴发射模式,分别称为第1阶段断裂和第2阶段断裂。纳米级多孔结构发生第1阶段断裂的原因在于较快的惯性扩散速度和较长的惯性时间;第2阶段断裂发生于微米级多孔结构,原因在于渗透的强化导致液滴高度的快速下降以及惯性时间的缩短。     

梯度表面能材料上液滴运动机理

通过显微测量技术获得了梯度表面能材料表面的微观结构,分析了经扩散控制的硅烷化处理的硅基材料表面上表面能梯度形成的机制和影响因素。通过可视化实验,并从能量转换关系和液滴受力分析上探讨了液滴在梯度表面能材料上的快速运动机理,研究了液滴运动过程,及薄膜润滑对液滴运动速度的影响。     

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。