纳米添加剂对麻疯树甲酯和乙醇混合物蒸发特性的影响

采用悬浮液滴技术研究在873 K和973 K的环境温度下,麻疯树甲酯-乙醇混合物(J70E30)添加不同质量浓度的Fe3O4纳米粒子(0.25%、1%、2%)燃料液滴的蒸发特性。结果表明,在873 K和973 K两个温度下,含有不同浓度的纳米流体燃料液滴蒸发过程均可以分为瞬态加热阶段、波动蒸发阶段和平衡蒸发阶段,三种Fe₃O₄纳米粒子浓度液滴的归一化平方直径在平衡蒸发阶段符合d2定律。在873K温度下,由于纳米粒子较强的布朗运动导致传热效率提高,促进了燃料液滴蒸发速率,其蒸发速率随着纳米粒子浓度增加不断提高;在973 K温度下,纳米流体燃料液滴的蒸发速率则是先减小后增大,但在973 K温度下纳米流体燃料液滴蒸发速率要大于其在873 K时的蒸发速率。     

超临界环境条件对碳氢燃料液滴蒸发特性的影响

利用开发的计算模型对壬烷液滴在氮气中的蒸发过程进行了数值计算,研究了超临界环境条件下环境压力、环境温度以及液滴初始温度对液滴蒸发特性的影响.结果表明:环境压力越高,在蒸发过程中液滴表面温度的升温速度越快;并在蒸发初期液滴直径的增大越显著,同时液滴表面发生迁移的时刻越早.环境温度越高液滴的蒸发寿命越短,液滴表面发生迁移的时刻越早,并且在蒸发初期液滴直径的增大越不明显.随着液滴初始温度的升高液滴的蒸发寿命和迁移时刻几乎均呈线性趋势逐渐减小,液滴初始温度的高低只会使液滴的蒸发过程整体上提前或延后.     

纳米颗粒及其接触角对沸腾传热系数的影响

选取具有不同接触角的SiO_2纳米流体进行沸腾实验,探究纳米颗粒接触角对沸腾传热系数的影响。通过观察沸腾过程中气泡大小及沸腾实验后加热面上的沉积层形态,分析纳米颗粒接触角对沸腾气泡和沉积层形态的影响,进而揭示了纳米颗粒表面的润湿性对沸腾传热系数的影响机理。结果表明:纳米颗粒的接触角会影响纳米流体沸腾时气泡的稳定性和加热面上纳米沉积层的形态,不同表面形态具有不同的换热效果;中等亲水的纳米颗粒能吸附在气泡的气液界面上,使沸腾传热系数增大;加热面上沉积的中等亲水纳米颗粒会增大加热面粗糙度,产生更多的汽化核心,使沸腾传热系数增大。     

分子动力学方法研究纳米尺度下液滴蒸发的物理规律

采用分子动力学方法对纳米尺度下氩液滴在氩蒸气中蒸发过程进行了模拟,其中液相分子采用球形截断的Lennard-Jones势能函数描述。模拟过程首先在三维模拟空间产生准稳态平衡的液滴和周围气相环境,随后控制液滴的外界物理条件形成蒸发现象,同步记录气液两相分子坐标和动量变化,从微观信息中统计计算出相应的宏观物理信息。研究了蒸发初始液滴半径的不同研究其对液滴蒸发过程的影响,结果表明纳米尺度下液滴蒸发现象与微米以上尺度液滴蒸发现象存在差异;引入等效辐射能的概念在分子动力学方法中实现了对辐射能传递过程的模拟,证实了辐射传递能量会对纳米尺度液滴蒸发过程产生很大的影响。     

快速降压环境下盐水液滴蒸发过程的传热传质研究

采用VOF（Volume of Fluid）自由表面捕捉方法对盐水液滴蒸发过程中气液界面进行追踪,建立了降压环境下单个盐水液滴的蒸发模型,并通过盐水液滴蒸发的实验数据验证了此模型。通过对盐水液滴在相变过程中的形态变化以及传热传质特性的分析,研究了液滴内部温度、速度、蒸汽分布以及液滴形态等随时间的变化情况,分析了影响盐水液滴降压蒸发过程的主要因素。结果表明：在降压蒸发过程中液滴形态变化和环境中蒸汽的分布会随速度场的变化而变化;蒸发过程中初始盐组分质量浓度越大的液滴蒸发速率越缓慢,最终能达到的液滴最低中心温度越高,且液滴中心温度回升速度越慢、回升时间也越晚;液滴初始温度对蒸发速率影响较大,初始温度越高,表面蒸发速率越快,液滴中心温度回升速度越快。     

中高温对流环境下脱硫废水单液滴蒸发特性的实验研究

为了探究脱硫废水液滴的蒸发机理,采用单液滴蒸发实验台研究了中高温环境下脱硫废水液滴的蒸发特性,分析了废水液滴在对流干燥过程中的蒸发特性及干燥温度、水质和初始粒径对其的影响规律;采用集中参数反应工程(L-REA)模型整理数据,建立了基于活化能的废水液滴蒸发动力学模型。结果表明：脱硫废水液滴蒸发期间由于表面溶质富集存在明显成壳与降速蒸发现象,成壳后剩余水分因升温而快速汽化,导致壳层膨胀与部分破碎;升高干燥温度和减小初始粒径有利于废水液滴蒸干,废水液滴中不溶性固体(SS)含量增加会使干燥产物粒径减小;由实验参数得到的L-REA模型能较好地描述废水液滴的蒸发历程,模型预测300℃干燥温度下,单液滴初始粒径50μm的液滴总蒸发时长在0.05 s以内。     

二甲醚/液化石油气双燃料液滴蒸发特性的数值研究

以单一组分液滴在静止环境中的蒸发模型为基础,建立多组分液滴蒸发的折算数学模型,并以二甲醚(DME)/液化石油气(LPG)双燃料液滴作为研究对象,对其亚临界蒸发过程进行了详细的模拟研究。获得了各组分在不同环境温度和环境压力下液滴蒸发的湿球温度,以及组分摩尔分数变化时双组分液滴湿球温度的变化情况。考察了液滴中组分的初始摩尔分数、液滴初始温度、环境温度和压力及混合规则对蒸发过程的影响,结果表明:相同环境条件下,混合物的湿球温度随DME摩尔分数的增大而升高;液滴初始质量相同时,DME初始摩尔分数越大,蒸发的时间越长;初始质量及组分初始浓度一样的多组分液滴,初始温度越接近湿球温度,蒸发时间越短;环境压力越高,液滴湿球温度越高,气体混合物扩散系数越小,液滴生存期内加热期所占的比例明显增加,蒸发时间较长;使用混合规则二,蒸发时间较长。     

二甲醚/液化石油气液滴超临界蒸发特性的数值模拟

引入相平衡理论建立了DME-LPG-N2三元气、液高压相平衡,获得了液滴表面各组分的物质的量分数.建立了混合液滴超临界蒸发的计算模型,计算了二甲醚(DME)/液化石油气(LPG)双燃料液滴的蒸发过程,考察了液滴的初始直径、初始组分、环境温度和环境压力对蒸发过程的影响.结果表明:环境压力、温度越大,环境介质(N2)在液滴中的溶解越明显;液滴初始直径越小,蒸发寿命越短;液滴中DME越多,亚临界蒸发过程中的液滴蒸发寿命越长,而超临界蒸发过程中液滴蒸发寿命越短;环境温度越高,液滴蒸发寿命越短;在研究的温度范围内,环境压力越高,在亚临界条件下液滴蒸发寿命越短,而在超临界条件下液滴蒸发寿命越长.     

具有微结构超疏水润湿梯度表面液滴的蒸发行为研究

采用标准微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)加工工艺,设计并加工了一种具有圆柱微结构的超疏水润湿梯度表面,搭建了研究液滴蒸发过程的可视化光学实验平台,同时从不同角度观察了液滴在具有圆柱状微结构超疏水润湿梯度表面的蒸发行为。通过实验研究发现:液滴在具有圆柱状微结构的超疏水润湿梯度表面的蒸发过程中,随着液滴的蒸发,液滴体积、液滴与表面的接触半径均不断减小,蒸发过程遵循混合蒸发模型;液滴边缘的三相线跳跃与移动均只发生在相对疏水的区域一侧;而在相对亲水的一侧,液滴边缘始终处于静止状态,直至液滴完全蒸发;在超疏水润湿梯度表面上的液滴蒸发过程中,液滴质心仅在具有润湿梯度的方向上移动,且液滴质心移动方向与润湿梯度方向相反(朝亲水侧移动)。最后基于液滴蒸发过程中的能量变化理论,解释了出现上述现象的原因。     

不考虑液相化学反应的苄基叠氮复合柴油液滴蒸发特性仿真

为研究物性参数差异对苄基叠氮复合柴油液滴蒸发特性的影响,选择正十六烷作为柴油的替代物,在不考虑液相化学反应的前提下构建了苄基叠氮-正十六烷多组分液滴蒸发模型.然后利用该模型分析了液滴的蒸发过程,研究了苄基叠氮质量分数和环境温度对液滴蒸发过程的影响.结果表明,苄基叠氮-正十六烷液滴蒸发可分为瞬态加热阶段、混合蒸发阶段和平衡蒸发阶段.苄基叠氮由于其相对正十六烷较高的饱和蒸气压、较小的定压比热容以及较大的蒸气相扩散系数,因而具有较快的蒸发特性.随着苄基叠氮质量分数的增加,液滴蒸发速率不断提高;随着环境温度的升高,液滴升温速率不断增大,平衡蒸发温度不断升高,液滴蒸发速率不断增大,但是这一变化趋势并不与温度呈线性关系.     

基于SPH方法水滴撞击恒温壁面流动与换热的研究

基于连续表面张力模型,提出了一种液滴和壁面表面张力的处理方法,结合光滑粒子流体动力学方法,建立了模拟大密度差表面张力问题的SPH算法。通过模拟水滴撞击壁面后的运动过程,与实验结果进行对比,验证了算法的有效性。应用该方法,先后模拟了单个低温大水滴,以不同直径和不同速度,撞击不同表面接触特性恒温壁面的运动过程。结果表明:当壁面的接触角在一定范围内,水滴的吸热率随接触角的增大而减小;而水滴的吸热率随着撞击速度和初始直径的增大均增大。     

麻疯树油液滴微爆和蒸发特性试验

利用悬挂式液滴蒸发试验装置,结合高速背光成像技术,研究了麻疯树油液滴在高温环境(673、773、873、973和1 073 K)下的微爆和蒸发特性,并对麻疯树油中的3种主要组分液滴的蒸发特性进行了分析．结果表明：麻疯树油液滴的微爆是由于内部组分的热解导致的,并且随环境温度的升高,其微爆强度增大．麻疯树油液滴在环境温度为673 K时,液滴稳定蒸发,蒸发过程包括初始膨胀阶段、平衡蒸发阶段和残留物蒸发阶段;在环境温度为773～1 073 K时,液滴发生微爆,包含初始膨胀阶段、平衡蒸发阶段、微爆蒸发阶段和残留物蒸发阶段;当环境温度高于873 K时,首次观测到“蒸气羽流”和“蒸气云”现象,液滴蒸发速率大幅提高．     

基于混合热格子玻尔兹曼模型的液滴蒸发数值模拟

采用格子玻尔兹曼方法(LBM)的单组分伪势模型与有限差分耦合的混合热格子玻尔兹曼模型(TLBM)对液滴蒸发过程进行了研究。首先,通过对液滴在方腔内蒸发过程进行模拟,验证了所采用计算方法及程序的有效性。随后,模拟了液滴撞击高温壁面后的蒸发过程,研究了壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数对蒸发过程的影响。结果表明,壁面温度、液滴邦德数和液滴雷诺数的增加均会造成液滴撞击高温壁面后蒸发速率的增大。     

超临界Cu-水纳米流体热导率分子动力学研究

采用平衡分子动力学方法研究了在超临界水中加入铜纳米颗粒后,系统温度、颗粒尺寸和质量分数等影响因素对纳米流体热导率的影响。结果表明:纳米流体的热导率随温度的升高而增大,纳米流体颗粒尺寸增加或者质量分数增加也会使整个系统的热导率增大。     

纳米流体动态湿润的格子-Boltzmann模拟

纳米流体动态湿润特性与纳米颗粒的微观运动密切相关。由于缺乏纳米尺度的实验观测技术及相关理论描述,纳米流体动态湿润的研究极具挑战,相关机理仍未明晰。采用格子-Boltzmann方法研究纳米颗粒在纳米尺度下(10-9 m)的微观运动及颗粒沉积所导致的基液流体表面张力、流变性改变及结构分离压力对宏观动态湿润(10-3 m)的影响机制。结果表明,纳米颗粒对基液的表面张力的改性影响纳米流体平衡湿润特性,决定纳米流体是完全浸润还是部分浸润。而纳米颗粒对基液流体流变性的改变影响纳米流体动态湿润过程的铺展指数。纳米颗粒在液滴底部的沉积对动态湿润过程影响较小,而在接触线区域的沉积显著改变纳米流体的动态湿润行为。研究尝试从跨尺度的角度阐释纳米颗粒微观运动对宏观动态湿润行为的影响,探索从微观层面调控纳米流体动态湿润的新方法。     

高温高压下机油液滴蒸发特性的数值模拟

建立了高温高压环境下双组分单液滴的一维非稳态蒸发模型.该模型可描述气/液两相质量及能量平衡、液相传热传质和相变过程.使用所建立的液滴蒸发模型,以正二十四烷(C_(24)H_(50))和正三十烷(C_(30)H_(62))作为机油的表征组分,分析了双组分机油液滴蒸发过程中液滴温度和组分摩尔分数分布的变化趋势,并对比了相同环境条件下机油与异辛烷液滴的不同蒸发特性.在此基础上,研究了环境压力、环境温度和液滴初始半径对机油液滴寿命、液滴蒸发百分数、液滴温度和组分摩尔分数等的影响.结果表明:在高温高压环境下,机油液滴能够留存较长时间,形成缸内高温早燃源的可能性较大.     

纳米流体强化活塞组-气缸套传热的数值模拟研究

将活塞组-气缸套作为一个耦合体,利用数值模拟法研究了只在润滑油中与只在冷却水中加入纳米Cu颗粒两种情况下的强化传热效果,并与原机传热情况进行比较。研究结果表明:无论是以Cu-润滑油纳米流体还是以Cu-水纳米流体作为传热工质,都可以显著提高活塞组-气缸套的散热性能,且散热量随着纳米粒子浓度的增高而增大。对于活塞侧,Cu-润滑油纳米流体的改善效果强于Cu-水纳米流体,其中Cu体积分数为5%的Cu-润滑油纳米流体可使燃烧室中心点a、燃烧室喉口点b、顶面外边缘点c和第一环外侧上边缘点d的温度平均降低约28.4、21.7、22.8和27.7K;对于气缸套侧,Cu-水纳米流体强化换热效果更理想,Cu体积分数为5%的Cu-水纳米流体可使气缸套内侧上边缘点e的温度平均降低约10.4K。     

生物乙醇喷雾蒸发和预混过程的数值模拟研究

基于生物乙醇燃料的贫燃预混、预蒸发燃烧技术(Lean Premixed Pervaporation,LPP),采用数值模拟方法,研究了预混室内生物乙醇雾化蒸发流场,分析了预热空气温度为500、600和1 000 K以及旋流数为0.47、0.8和1.41时的生物乙醇蒸发和气体混合特性的规律。研究表明:在LPP预混室旋流流场中,中心回流区宽度随预混室距离的增加先增大后减小,并且会受喷雾射流的影响拉伸变长,中心回流区随旋流强度的增大更贴近喷雾出口,角回流区的长度随旋流强度增大而缩短直至消失,旋流强度对液雾整体蒸发速率影响不大,但会影响液雾分布;进气温度增加会增大进气速度,提高液滴蒸发速率,缩短液雾炬长度;液滴蒸发过程存在一定程度上的压力振荡,会对LPP不稳定燃烧过程产生一定影响。     

石墨烯纳米制冷剂核态池沸腾换热的实验研究

为分析单层石墨烯纳米片对核态池沸腾换热的影响机理,对基液为R141b、分散相为单层石墨烯纳米片的纳米制冷剂的核态池沸腾换热特征进行了测定,采用Hot Disk热物性分析仪和铂金板法分别测定了石墨烯纳米制冷剂的热导率和表面张力,采用接触角测量仪和扫描电子显微镜（SEM）观测了沸腾后加热表面的润湿性和形貌特征。实验中,单层石墨烯纳米片的质量百分含量（ω）为0.02%~0.50%,实验压力为一个标准大气压,热流密度为20~200 kW/m2。实验结果表明：单层石墨烯纳米片的加入,使制冷剂R141b的核态池沸腾换热得到强化;当ω=0.2%时,换热系数提高比例出现峰值,为57.7%。伴随ω的增加,石墨烯纳米制冷剂的热导率增大、表面张力减小,沸腾表面润湿性增强且微腔数先增后减,综合作用的结果导致存在一个最佳的单层石墨烯纳米片浓度（即ω=0.2%）使换热系数最高。     

环戊烷纳米乳液水合物蓄冷特性试验研究

为促进静态条件下水合物蓄冷的快速进行,以吐温80、司盘80作表面活性剂,正丁醇作助表面活性剂,通过高速搅拌制备了环戊烷纳米乳液。研究了纳米颗粒粒径和纳米流体浓度对水合物蓄冷过程的影响,结果表明纳米乳液强化了水合物的形成过程,在静态条件下成功实现了环戊烷纳米乳液快速水合蓄冷。