冷凝/沸腾传热中液滴/气泡脱离基板规律的研究

摘要

气液两相换热包括冷凝和沸腾两种现象。在相变换热中由于气液两相之间流动与传热传质的相互耦合作用，从而导致两相流动的研究更加复杂。为了能够提高冷凝/沸腾传热效率，需要使冷凝液滴/气泡尽快脱离基板表面本文则集中于这方面的研究。
　　在超疏水冷凝表面上，液滴聚合后能够自发的弹跳脱离冷凝表面，这能够有效的提高滴状冷凝的效率，达到高效利用能源的目的。利用Diffuse Interface方法对滴状凝结下，对液滴聚合诱导弹跳过程进行了数值模拟，深入研究不同接触角下，液滴的不同尺寸及接触角滞后对于液滴聚合弹跳的影响，并进行了能量分析，该研究对于设计高效的滴状冷凝表面具有重要的意义。结果发现，从纳米尺寸到毫米尺寸，随着液滴尺寸的增加，由于粘性的减小，无量纲液滴弹跳速度逐渐增大，达到最大值后，由于重力影响的增大，液滴弹跳的速度会逐渐减小。在接触角一定的情况下，液滴半径比相差越大，其弹跳速度越小，液滴离开基板时刻晚于最大垂直速度出现的时刻;接触角滞后越大，液滴弹跳速度越小，且液滴聚合后弹跳时刻会早于最大垂直速度出现的时刻。另外，本文研究了从超疏水表面到超亲水表面不同性质的加热面上，气泡的变化与运动，气泡的生长及脱离规律，该研究对研究核态沸腾的机理及相变传热有着重要意义。利用Level Set方法进行数值模拟，假设气泡处于浮力、粘性力与表面张力作用下，分析不同Re数和Bo数对气泡生长和脱离的影响，并试图找到气泡脱离的临界参数。气泡与基板的固液接触角越小，与基板的接触面积越大，底部粘性力也就越大，压力的水平分量越大而竖直分量小，因而难以脱离。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究内容

第2章 数值模拟研究的基本方法

2．1 自由能理论及表面张力

2．2 Diffuse Interface方法

2．2．1 Cahn-Hilliard方程

2．2．2 动量方程

2．2．3 无量纲化

2．2．4 控制方程的离散

2．3 Level Set方法

2．3．1 Level Set方程

2．3．2 流体控制方程

2．3．3 无量纲化

2．3．4 重新初始化

2．3．5 控制方程的离散

2．4 本章小结

第3章 冷凝传热中超疏水表面液滴诱导聚合弹跳的二维数值模拟

3．1 液滴诱导聚合弹跳示意图及理论分析

3．1．1 示意图

3．1．2 理论分析

3．2 数学物理模型及参数设定

3．2．1 模型假设及边界条件设定

3．2．2 控制方程

3．3 液滴聚合弹跳的形貌演变过程

3．4 数值模拟结果

3．4．1 液滴半径r0对液滴聚合弹跳的影响

3．4．2 相邻液滴半径比ratio对液滴聚合弹跳的影响

3．4．3 液滴滞后角的影响

3．4．4 液滴弹跳速度(jumping velocity)的变化

3．5 能量分析

3．6 本章小结

第4章 沸腾传热中单个气泡上升运动的数值模拟

4．1 模型对照

4．2 数学物理参数设定

4．2．1 气泡运动模型假设及边界条件

4．2．2 控制方程及其无量纲化

4．3 浮力作用下气泡脱离基板的上升运动

4．3．1 气泡在浮力作用下脱离基板的演变过程

4．3．2 Re、Bo数对气泡运动的影响

4．3．3 不确定性分析

4．3．4 气泡的脱离与不脱离

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢