冷凝问题的格子Boltzmann模拟、理论改进及其电场强化的实验研究

摘要

蒸汽冷凝的传热特性及其强化技术的研究一直都是国际传热界关注的热点之一，已有的研究表明，蒸汽冷凝是一个复杂的多尺度相变传热问题，特别是滴状冷凝，涉及到的长度尺度从纳米量级(液滴成核半径)延伸到毫米量级(液滴脱离半径)，跨越了六个数量级。因此，虽然对冷凝相变传热问题的研究已经持续近百年的时间，但关于它的传热机理还有许多问题等待解决。本文将结合数值模拟、理论改进及实验探索这三种手段对冷凝问题进行全面的研究，数值模拟基于介观格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)，不仅模拟竖直冷壁面上的膜状冷凝和滴状冷凝过程，而且研究超疏水粗糙结构表面上冷凝液滴合并后弹跳的现象；理论分析将从液滴成核半径、液滴成核时的传热率、液滴成核密度及热流密度这四个方面对滴状冷凝的传热理论进行改进；实验探索将对电场强化湿空气冷凝的过程进行可视化观测，并对该过程中，液滴的成核进行了理论分析，揭示了电场强化湿空气冷凝的机理。具体的研究内容包括：
　　1.采用格子Boltzmann汽液相变模型模拟膜状冷凝和滴状冷凝过程。首先，利用新近发展的格子Boltzmann相变模型研究竖直冷壁面上的膜状冷凝过程，通过将格子Boltzmann方法模拟膜状冷凝得到的结果与Nusselt理论解和之前基于边界层假设得到的结果进行对比，不仅能评估格子Boltzmann汽液相变模型的准确性和对于相变问题的适用性，而且能够验证之前理论解的某些假设。格子Boltzmann方法的优势在于它能够很方便的考虑膜状冷凝过程中液膜附近汽液界面上的剪切作用，不需要特殊处理，而Nusselt膜状冷凝的理论解忽略了蒸汽对冷凝液膜传热及流动的影响，汽液界面之间是不连续的，因此得到的结果误差比较大；另一方面，基于边界层假设的数值方法，在考虑汽液界面速度连续性时，求解过程比较复杂。随后，本文利用格子Boltzmann方法的相变模型首次对滴状冷凝过程中液滴成核、生长、变形及脱离等动态行为进行研究，探讨接触角对这些过程的影响，并且分析这些过程中热流密度的变化，发现液滴在成核时热流密度迅速上升，这是由于液滴成核伴随着热量的传递导致的。
　　2. LBM模拟超疏水表面上冷凝液滴合并后弹跳的现象。采用多松弛(multiplerelaxation time，MRT)LBM模型对超疏水粗糙结构表面上液滴合并后的弹跳这一热点问题进行三维模拟，分析该过程的能量转化机理，并考察该过程中液滴与壁面的相互作用，发现壁面对液滴有向上的反作用，将液滴流场中向下的速度方向转换成向上，并最终使液滴弹跳，离开壁面。将模拟得到的液滴弹跳速度与文献中已有的实验数据进行对比，首次探讨了粗糙结构的形貌对液滴合并及弹跳过程的影响，解释了不同实验关于液滴弹跳速度的巨大差异。结果表明，粗糙结构间距较小时，液滴与壁面之间的粘附力较大，从而降低了液滴的弹跳速度；粗糙结构间距较大时，液滴容易陷入粗糙结构内，导致弹跳速度偏小。
　　3.滴状冷凝传热理论的改进。滴状冷凝传热理论的要素包含两个方面：单个液滴的传热及液滴大小分布规律。本文结合单个液滴的传热模型，考虑了疏水涂层的热阻、液滴自身导热的热阻、汽液界面的热阻及液滴曲率引起的热阻等因素的影响，从液滴成核过程中可用能(availability，也称为“?”，exergy)变化的角度，通过热力学分析，得到冷凝过程中液滴的成核半径。第一次提出了液滴成核时传热率不为零，在传统的滴状冷凝传热理论中，液滴成核时传热率为零，因此从没研究过该问题；而且在本文前面使用LBM模拟滴状冷凝的过程中，发现液滴在成核时热流密度迅速上升，这一结果也从另一角度验证了液滴成核时传热率的存在。同时，在之前文献中关于液滴成核密度预测公式的基础上，建立了液滴成核密度与成核半径之间的关系。随后结合之前的滴状冷凝传热理论，得到滴状冷凝过程的热流密度。并且，本文分析了壁面过冷度、接触角、疏水涂层的厚度和导热系数及饱和蒸汽压力等对液滴成核半径、液滴成核时传热率、液滴的成核密度和冷凝过程中热流密度的影响。
　　4.电场强化湿空气冷凝的可视化研究及理论分析。通过可视化方法研究了不同电场强度下湿空气的冷凝过程，分析了高压电场对液滴成核密度、液滴生长速率、冷凝液覆盖率和液滴大小分布规律等的影响。结果表明，高压电场能减小蒸汽发生相变的能量壁垒，从而增加液滴的成核密度，加速液滴的生长，提高冷凝液的覆盖率，加剧蒸汽发生冷凝相变的过程，而且使小液滴的重新成核概率大大增加，导致小液滴数目所占的比例增大。并且，在前面液滴成核理论分析的基础上，研究了电场作用下湿空气冷凝过程中，液滴成核的能量壁垒和液滴的成核半径随外加电场强度的变化关系。结果表明当电场强度增大时，液滴成核的能量壁垒减小，液滴的成核半径变小，理论分析表明电场能够促进液滴的成核，这与上述可视化实验的结果是一致的。
　　本文的工作不仅为冷凝问题的数值模拟开拓了新思路和新的研究方向，而且对之前文献中滴状冷凝传热理论的不足进行了改进，同时通过实验手段探索了强化蒸汽冷凝的方法。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2国内外研究现状综述

1.3本论文的主要工作

1.4本章小结

第二章 格子Boltzmann相变模型模拟膜状冷凝和滴状冷凝过程

2.1引言

2.2格子Boltzmann方法的汽液相变模型

2.3 LBM模拟膜状冷凝过程

2.4 LBM模拟滴状冷凝过程

2.5本章小结

第三章 LBM模拟超疏水表面上冷凝液滴合并后弹跳的现象

3.1引言

3.2液滴合并及弹跳过程中能量转化分析

3.3液滴合并后弹跳现象的三维格子Boltzmann模拟

3.4本章小结

第四章 滴状冷凝传热理论的改进

4.1引言

4.2经典的滴状冷凝传热理论

4.3滴状冷凝理论的改进

4.4本章小结

第五章 电场强化湿空气冷凝的可视化研究与理论分析

5.1引言

5.2实验系统及主要设备

5.3电场强化湿空气冷凝的实验结果

5.4电场强化湿空气冷凝过程中液滴成核的理论分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究工作总结

6.2研究的创新性

6.3未来工作展望

附录 A D3Q19 MRT 的转换矩阵M

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢