表面微结构对流动沸腾和固着液滴蒸发的影响

摘要

沸腾和蒸发是自然界和工业领域常见的物理现象，也存在于船用沸腾换热设备和低温多效蒸馏式海水淡化装置中。表面微结构既能够提高表面气化核心密度，又能够改变表面润湿性，从而影响沸腾换热以及固着液滴蒸发。
　　本文对微结构表面的流动沸腾换热以及固着液滴蒸发进行了研究。应用两步电镀法对铜表面进行电镀，制备出了疏水性菜花状微结构和亲水性蜂窝状微结构，并进行了流动沸腾实验研究，包括流体温度、流速对沸腾传热的影响。实验结果表明疏水性菜花状微结构表面对沸腾换热有明显的促进作用，蜂窝状微结构由于具有孔隙尺寸较大的特点，在沸腾起始阶段的换热效果较好，但在换热表面过热度较高的情况下，菜花状微结构显示出明显的优势;同时还发现表面润湿性对沸腾换热临界热流密度有直接的影响。因此对于船舶沸腾换热设备，合理应用微结构表面能够有效提高换热效率。
　　为进一步研究微结构对固着液滴蒸发的影响，对润湿性表面上的液滴蒸发进行了实验和理论研究，采用电润湿技术对光滑亲水性多壁碳纳米管(MWCNT，Multi-walled Carbon Nanotube)部分表面进行了微结构改变，形成了组合结构MWCNT表面——部分亲水光滑、部分疏水粗糙。实验结果表明在MWCNT表面电润湿过程中，由于MWCNT具有导电性，液滴尺寸会影响电润湿过程，因此在电润湿改变微结构的操作中，使用了相同尺寸的液滴。在组合结构MWCNT表面上的液滴，由于同时与两种不同的润湿性部分接触，液滴形状呈现出非对称的特点，亲水侧接触角较大(～75°)，疏水侧接触角较小(～60°)。液滴蒸发过程中，其非对称形状导致了蒸发过程的非对称性，疏水侧液滴蒸发速率较快。为了更好理解实验现象，找出影响因素，本文数值模拟了非对称形状液滴蒸发过程，发现液滴曲率半径对蒸发速率起主要作用。组合结构表面上液滴蒸发研究结论还可以用于指导研究降膜过程对于蒸发的影响，为研究结构非均质表面对液膜厚度合理分布并提高海水汽化效率的影响奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 表面微结构对沸腾换热影响的研究现状

1．2．1 疏水性微结构表面对沸腾过热度的影响

1．2．2 疏水性微结构表面对沸腾CHF值和HTC的影响

1．2．3 亲水性微结构表面对沸腾CHF值和HTC的影响

1．3 表面微结构对固着液滴蒸发影响的研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 微结构表面的制备

2．1 电镀法制备铜表面微结构

2．2 两步法电镀铜表面方案

2．3 多壁碳纳米管表面的制备

2．4 MWCNT表面电润湿

2．5 组合结构MWCNT表面

2．6 小结

第3章 基于微结构表面的流动沸腾实验研究

3．1 实验系统设计

3．2 称重法校验流量计

3．3 流动沸腾实验方法及步骤

3．4 实验数据的处理与误差分析

3．5 电镀铜表面的流动沸腾换热特性

3．5．1 实验数据的验证

3．5．2 电镀铜表面性能分析

3．6 流速和过冷度对电镀铜表面流动沸腾的影响

3．7 小结

第4章 表面微结构对固着液滴蒸发的影响

4．1 实验设备

4．2 均质表面液滴蒸发行为

4．3 组合结构MWCNT表面上的非对称液滴蒸发

4．3．1 组合结构MWCNT表面上的液滴蒸发过程

4．3．2 液滴钉扎现象及受力分析

4．3．3 讨论

第5章 非对称形状液滴蒸发数值模拟

5．1 数值模拟过程的假设与边界条件

5．2 数值模拟的控制方程

5．3 网格划分

5．4 数值模拟方法的可行性研究

5．4．1 准稳态的确定

5．4．2 气相域尺寸的确定

5．4．3 网格数的确定

5．4．4 模拟结果的验证

5．5 非对称形状液滴蒸发过程的数值模拟

5．5．1 模型的建立

5．5．2 模拟结果讨论

5．6 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介