微小液滴撞击固体壁面及薄液膜动态特性的数值研究

摘要

近年来，由于微电子技术的迅猛发展，电子元器件的集成度越来越高，其产生的热耗量越来越大，传统的冷却技术已经很难满足其散热要求。喷雾冷却作为一种相变换热冷却技术，以其高效的换热能力和严格的温控能力被越来越多的运用于高热流密度的电子元件散热。喷雾冷却是一个复杂的相变换热过程，通过喷嘴或者孔板将制冷工质雾化成小液滴，喷射到换热表面上对器件进行冷却。喷雾冷却的机理是将雾化的液滴颗粒撞击到热源表面后形成一层薄液膜，通过液膜导热，对流换热，液膜蒸发，换热面产生气化核心，以及液滴携带的二次汽化核心等相变过程将热量带走，实现冷却的效果。由于喷雾冷却换热机理复杂，影响因素多且各因素之间相互耦合，给研究带来一定困难。
　　本文针对喷雾冷却中液滴撞击壁面和薄液膜动态过程，采用VOF方法对单个液滴撞击固体壁面和壁面薄液膜问题进行了数值模拟，研究了液滴撞击固壁后的铺展，回缩和反弹的运动规律，液滴撞击壁面上薄液膜后液膜形态变化以及液滴撞击热壁面上的换热特性等；并对液滴撞击过程中形成空气卷吸现象进行了研究；获得了壁面浸润性，表面张力，液体粘性以及固体壁面材料物性对液滴撞击后动态特性和换热特性的影响规律。主要研究成果如下：
　　①液滴撞击常温固壁时，壁面特性和液滴初始动能会对液滴的铺展、回缩和反弹等动态特性产生重要影响。当壁面憎水性增强，液滴表面张力系数增大，粘度系数减小时，液滴撞击常温壁面后所能达到的最大铺展系数减小，且在憎水壁面上容易发生反弹现象。
　　②液滴以较低速度撞击壁面薄液膜时，液滴与液膜融合时会弹出一个小的二次液滴。撞击速度增大后，液膜内动能足以克服液膜表面张力形成水花溅射现象。表面张力和粘性作用均对溅射水花的生长起抑制作用。液膜越厚，由固壁造成的流动分离产生的径向流速越小，水花生长最大高度越小。
　　③低温液滴撞击热壁面时，液滴在热壁面上铺展并换热，壁面中心处热流密度波动较大，最大热流密度出现在三相接触线附近。热壁面材料对固壁内部换热影响较大，随固体壁面的导热系数增大，其内部温度趋于均一化，固壁内部降温区域增大但壁面平均温度较高。
　　④液滴下落撞击壁面或者液膜时，壁面或液膜附近空气被挤压，造成空气压力升高，使得液滴底部形成的凹陷，撞击时容易卷吸空气形成气泡。回缩过程中，液滴中心上表面的凹陷也容易发生空气卷吸现象。
　　⑤卷吸的空气量随液滴撞击时其底部曲率的减小而增加，随液滴直径增大而增大，随撞击速度增大呈无规律变化趋势。当壁面接触角小于90°时，卷吸空气的量随接触角增大变化不大，而在憎水性壁面上，随接触角的增大卷吸空气的量迅速增大。

目录

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 课题研究进展

1.3 本文研究目的和主要研究内容

2 数值模拟方法

2.1 控制方程的建立

2.2 相界面处理方法

2.3 数值模拟中相关问题的处理

2.4 本章小结

3 液滴撞击等温壁面动态特性

3.1 计算区域及边界条件设定

3.2 模型验证

3.3液滴撞击等温壁面流动状态分析

3.4液滴撞击等温壁面动态特性研究

3.4 本章小结

4 液滴撞击液膜动态特性

4.1 计算区域及边界条件设定

4.2 液滴撞击液膜流动状态分析

4.3 液滴撞击液膜动态特性研究

4.4 本章小结

5 液滴撞击热壁面换热特性

5.1 计算区域及边界条件设定

5.2 液滴撞击热壁面换热特性分析

5.3 液滴撞击热壁面换热特性研究

5.4 本章小结

6 液滴撞击过程中空气卷吸现象

6.1 计算区域网格划分及模型验证

6.2 气泡卷吸现象

6.3 空气卷吸现象研究

6.4 液滴撞击薄液膜和热壁面空气卷吸现象

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表及撰写的论文

B．攻读硕士学位期间参研的科研项目

C．攻读硕士学位期间获奖目录