速降压环境下液滴过冷凝固过程研究

摘要

当液滴周围环境压力迅速下降时，液滴迅速蒸发，温度下降，在低压环境下液滴温度降至一定过冷度后，液滴凝固。该过程可应用于真空制冷、冰浆制备、食品保鲜等领域。对该过程的研究涉及非平衡相变以及传热传质等物理机理，本文采用实验与理论研究相结合的方法，针对速降压环境下单个液滴的过冷凝固过程进行研究。
　　实验研究方面，采用液滴悬挂法，对多种工质，包括：蒸馏水、乙酸、蔗糖溶液开展实验。实验的初始环境压力均为1atm，最终环境压力范围200~9000Pa、液滴初始温度10~50℃，液滴初始直径范围为0.8~3mm。实验结果表明，蒸馏水液滴和乙酸液滴在低压凝固过程中，液滴温度变化类似，经历“下降—突升—维持在接近凝固点—快速下降—稳定”五个阶段，这对应着液滴凝固过程中“蒸发带走热量—凝固释放潜热—升华与凝固共同作用—升华带走热量—升华与表面换热平衡”五个物理过程。蔗糖溶液液滴由于其粘度较大，在速降压环境下液滴内会出现多次气泡生长—爆裂，对应每次气泡爆裂过程，液滴温度发生振荡。
　　理论研究方面，对单个液滴过冷凝固过程进行了合理的简化假设，在液滴闪蒸模型的基础上，将过冷凝固中凝固界面运动的动力学条件与凝固、升华能量方程耦合，建立了液滴在速降压环境下过冷凝固过程的理论模型。将模型计算蒸馏水液滴和乙酸液滴温度变化与实验数据对比，吻合较好，较好的展示了过冷凝固过程中液滴温度的变化，以及凝固界面的运动情况。结果表明：环境压力越低，液滴尺寸越小，表面温度下降越快，凝固速度也越快，凝固时间越短，液滴中心温度升高越快。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 速降压环境下液滴过冷凝固过程的实验研究现状

1.3 速降压环境下液滴过冷凝固过程的理论研究现状

1.4 凝固界面运动过程研究

1.5 本文的主要研究内容

第2章 实验系统

2.1 概述

2.2 实验系统整体设计

2.3 实验主要设备介绍

2.4 实验方案

2.5 实验系统适用范围

2.6 本章小结

第3章 速降压环境下液滴过冷凝固的实验研究

3.1 概述

3.2 蒸馏水液滴实验结果

3.3 乙酸液滴实验结果

3.4 蔗糖溶液液滴在实验结果

3.5 蒸馏水液滴和乙酸过冷凝固过程比较

3.6 液滴低压环境下过冷凝固过程影响因素分析

3.7 本章小结

第4章 速降压环境下液滴过冷凝固的理论模型

4.1 概述

4.2 数学模型及数值方法

4.3 数值计算方法

4.4 本章小结

第5章 速降压环境下液滴过冷凝固的数值计算

5.1 概述

5.2 数值计算结果

5.3 影响因素分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢