液滴动态特性调控强化冷凝传热的研究和LB模拟

摘要

蒸汽冷凝由于释放大量潜热具有较高的传热性能而广泛地应用于石油化工、制冷、发电、电子、核工业以及航空航天等领域。滴状冷凝由于具有比膜状冷凝高一个数量级的传热性能而受到研究者的青睐。固液和汽液界面效应是影响蒸汽冷凝模式及研发冷凝传热过程强化方法的出发点和关键。对于给定的冷凝表面，液滴的脱落尺寸或最大尺寸是影响滴状冷凝传热性能最重要的因素之一，减小液滴的最大尺寸和加快液滴的运动是强化滴状冷凝传热的有效方式。本论文利用组合表面调控液滴的尺寸和运动，实现滴状冷凝传热的强化。结合实验观测、理论分析和数值模拟，从固液界面和汽液界面效应出发，考察了表面构型和表面润湿性对液滴的尺寸及其分布和运动的调控机理，研究了液滴动态特性影响蒸汽冷凝传热的机制和传热强化的影响因素。
　　实验观测了不同疏水-亲水组合表面上蒸汽冷凝时疏水区液滴的运动特性、最大尺寸以及尺寸分布，刻画了组合表面的组合方式对液滴动态特性的调控机制。结果发现随着疏水区宽度的增加，疏水区液滴的移除方式会发生相应的变化。当疏水区宽度小于完全滴状冷凝液滴脱落直径时，在亲水区液膜的作用下，疏水区液滴以自发地向亲水区迁移的单一方式移除。而当疏水区宽度增加到与完全滴状冷凝液滴脱落直径相当时，液滴的移除存在两种方式，一种是向亲水区自发地迁移，另一种则是在重力下脱落。但在液滴脱落过程中，只要液滴与亲水区液膜接触，液滴仍然会向亲水区迁移。疏水区最大液滴半径随疏水区宽度的减小而减小，但小于几何关系计算值。同时发现，随着疏水区宽度的减小，疏水区小液滴数密度增加，改善了疏水区液滴的尺寸分布。
　　实验观测了超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝过程中液滴的运动特性。结果发现，超疏水区液滴处于表面粘附大的Wenzel润湿形态，疏水区液滴在超疏水区液滴的作用下向超疏水区做定向迁移。疏水区液滴尺寸由疏水区宽度调控。
　　实验研究了疏水-亲水组合表面和超疏水-疏水组合表面上常压蒸汽的冷凝传热性能。结果显示，随着疏水区宽度的增加，疏水-亲水组合表面的蒸汽冷凝传热性能先增加后减小，疏水区宽度存在最优值;随着亲水区宽度的增加，组合表面传热性能降低。当疏水区和亲水区宽度设计合适时，疏水-亲水组合表面蒸汽冷凝传热性能高于完全疏水表面的滴状冷凝传热性能。超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能随疏水区面积分率的增加而增加，并且高于相同条件下完全超疏水和疏水表面蒸汽冷凝传热性能的面积加权平均值，说明超疏水-疏水组合表面通过调节液滴的尺寸和移除方式强化了疏水区的冷凝传热。
　　基于滴状冷凝传热性能影响因素的分析结果，结合滴状冷凝和膜状冷凝传热模型，分析了滴状-膜状组合表面上蒸汽冷凝传热性能的强化机理和影响因素。考察了滴状区宽度对滴状区传热性能、膜状区液膜厚度和膜状区传热性能的影响，同时考虑了膜状区宽度、表面过冷度、表面接触角和接触角滞后对滴状-膜状组合表面传热性能的影响。分析结果表明，滴状-膜状组合表面蒸汽冷凝传热性能随着滴状区宽度的增加呈现先增加后减小的趋势，存在最优的滴状区宽度，随着膜状区宽度的增加而降低，与实验结果吻合良好。通过优化区域组合方式，疏水-亲水组合表面蒸汽冷凝传热性能可超过完全疏水表面的滴状冷凝传热性能，而且组合表面更适用于表面过冷度较低、接触角较小和接触角滞后较大的蒸汽冷凝传热强化。
　　实验研究了超疏水表面上具有相同尺寸两液滴的合并过程及其诱导的液滴弹跳高度。利用自由能格子Boltzmann模型得到液滴合并过程的速度分布和能量转换情况，结合传统的能量分析法分析了超疏水表面液滴合并诱导的液滴弹跳现象。发现修正模型能够很好地预测合并液滴的初次弹跳高度和初始弹跳速度，有助于深入理解超疏水表面液滴合并诱导的液滴弹跳现象。
　　利用自由能格子Boltzmann方法模拟了固体表面上液滴的合并过程，分析了液滴合并过程固液界面和汽液界面形状的演化以及合并过程中流场的演化。结果表明，随着固体表面接触角的增加，液滴合并对周围汽相扰动增强。考察了蒸汽速度对液滴在固体表面的变形和运动情况的影响，结果表明，蒸汽速度和固体表面接触角越大，液滴变形越大，接触线运动速度越大;对外加力场影响固体表面液滴的变形和运动的模拟结果表明，随着外力加速度和固体表面接触角的增加，液滴变形和运动速度增加，对汽相的扰动增强。模拟结果为冷凝液滴合并诱导的液滴表面温度分布、蒸汽速度和液滴运动强化冷凝传热提供了定性或半定量的解释。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 滴状冷凝过程液滴动态行为及其传热特性的研究进展

1．2．1 冷凝形态的划分准则

1．2．2 滴状冷凝促进层

1．2．3 滴状冷凝过程特性

1．2．4 滴状冷凝模型分析

1．2．5 滴状冷凝数值模拟

1．2．6 格子Boltzmann(LB)方法模拟液滴特性

1．3 本文主要研究内容与设计思路

2 冷凝表面制备表征和实验方法

2．1 冷凝表面的制备与表征

2．1．1 疏水表面制备

2．1．2 超疏水表面制备

2．1．3 疏水-亲水组合表面制备

2．1．4 超疏水-疏水组合表面制备

2．1．5 表面表征

2．2 实验装置与流程

2．2．1 竖壁表面蒸汽冷凝实验台

2．2．2 实验流程

2．3 实验数据处理与误差分析

2．3．1 竖壁表面蒸汽冷凝实验数据处理

2．3．2 实验误差分析

2．4 本章小结

3 组合表面调控液滴特性及冷凝传热的实验研究

3．1 疏水-亲水组合表面对液滴运动及尺寸的调控

3．1．1 疏水-亲水组合表面疏水区液滴运动特性

3．1．2 疏水-亲水组合表面疏水区液滴最大半径

3．1．3 疏水-亲水组合表面疏水区液滴尺寸分布

3．2 超疏水-疏水组合表面对液滴运动和尺寸的调控

3．3 疏水-亲水组合表面的蒸汽冷凝传热性能

3．3．1 疏水区宽度的影响

3．3．2 亲水区宽度的影响

3．3．3 疏水-亲水组合表面对蒸汽冷凝传热性能的强化

3．4 超疏水-疏水组合表面的蒸汽冷凝传热性能

3．5 本章小结

4 滴状-膜状组合表面蒸汽冷凝传热机理分析

4．1 滴状冷凝传热模型

4．1．1 单个液滴的传热

4．1．2 液滴尺寸分布

4．1．3 滴状冷凝传热通量

4．2 滴状冷凝传热影响因素分析

4．2．1 模型验证

4．2．2 接触角对滴状冷凝传热性能的影响

4．2．3 液滴尺寸对滴状冷凝传热性能的影响

4．2．4 接触角滞后对滴状冷凝传热性能的影响

4．3 滴状-膜状组合表面蒸汽冷凝传热性能及其强化机理分析

4．3．1 完全滴状冷凝表面和组合表面液滴的运动特性

4．3．2 组合表面传热性能

4．3．3 组合表面滴状区传热性能

4．3．4 组合表面膜状区传热性能

4．3．5 模型验证

4．3．6 滴状区最大液滴半径对滴状区传热性能的影响

4．3．7 滴状区最大液滴半径对膜状区传热性能的影响

4．3．8 组合表面的传热性能

4．3．9 组合表面对具有特殊润湿性表面蒸汽冷凝传热性能的强化

4．4 模型分析结果与实验结果的比较

4．5 本章小结

5 超疏水表面液滴合并诱导液滴弹跳的实验与理论分析

5．1 超疏水表面液滴合并诱导液滴弹跳实验

5．2 液滴合并过程的格子Boltzmann(LB)模拟

5．2．1 自由能LB方法

5．2．2 模型验证

5．3 液滴合并诱导液滴弹跳的理论分析

5．4 本章小结

6 固体表面上液滴动态特性的LB模拟

6．1 模拟方法

6．1．1 自由能LB模型中的固体表面润湿性

6．1．2 模型验证

6．2 固体表面液滴合并过程的LB模拟

6．2．1 液滴半径对液桥高度的影响

6．2．2 表面张力对液桥高度的影响

6．2．3 接触角对液桥高度和流场的影响

6．3 蒸汽速度驱动液滴变形和运动的LB模拟

6．3．1 蒸汽速度对液滴形变和接触线运动的影响

6．3．2 接触角对液滴形变和接触线运动的影响

6．3．3 蒸汽速度和接触角对液滴脱离时间的影响

6．4 外力驱动的液滴变形和运动的LB模拟

6．4．1 自由能格子Boltzmann模型中引入外力

6．4．2 外力大小的影响

6．4．3 液滴半径的影响

6．4．4 固体表面接触角的影响

6．4．5 外力加速度对流场的影响

6．4．6 液滴半径对流场的影响

6．4．7 接触角对流场的影响

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介