憎水表面光控液滴蒸发及冷凝液滴的演化特性

实验利用可视化方法研究了憎水表面上聚焦激光局部加热作用下液滴的蒸发特性及主液滴周围冷凝液滴的生成及演化特性。波长为1550 nm的红外激光作为局部热源控制液滴的相变。结果表明:冷凝液滴随着热蒸汽在过冷基底上的冷凝而不断生长,冷凝液滴之间的聚并现象使其尺寸快速增大。冷凝液滴的演化过程受到液滴蒸发强度和冷凝持续时间的综合影响。当激光加热偏离液滴中心位置时,冷凝液滴仍然较为均匀地分布在主液滴周围。     

1985nm激光加热下水滴蒸发实验研究

设计了激光加热液滴蒸发的实验装置,使用石英丝对液滴进行悬挂,采用1985 nm波长激光器对液滴进行加热,利用显微摄像头和红外热像仪对蒸发过程进行监测,通过分析软件得到液滴直径、表面温度分布等相关参数。实验结果表明,激光加热下液滴蒸发过程包括预热段和主蒸发段,预热段液滴尺寸变化不明显,主蒸发曲线同d~2定律相差较大。整个蒸发过程中液滴温度呈现明显的不均匀性,并从液滴预热段温度变化上发现明显的液滴内部流动现象。此外,随着功率增大,蒸发速率也随之增大,液滴蒸发时间缩短,液滴的最高温度升高。     

基于Marangoni效应的液-液驱动铺展过程

液体表面的液滴运动在微流体和许多生物过程中具有广泛的应用前景.本文通过研究在液体基底上一种低表面张力液体对另一液体的驱动来理解Marangoni效应在自发驱动体系中的作用.为了研究液体驱动的液滴铺展过程,建立了以不易挥发性硅油作为驱动溶剂、正十六烷作为受驱动液滴,以及不同浓度的十二烷基硫酸钠溶液作为基底溶液的实验体系.通过对正十六烷液滴受驱动铺展动态过程的观察和研究,发现界面张力梯度对液体驱动的铺展起主导作用.实验结果表明:基底溶液浓度主要对正十六烷液滴的最大铺展半径存在影响.此外,用经典稳定性分析模型解释了正十六烷在受驱动铺展过程中由液柱破碎成小液滴的原因,同时得到了失稳特征参数最快不稳定波长与正十六烷液柱半径之间的关系.     

有限空间内气液相变传热特性的实验研究

与常规温差发电器相比,气液相变式温差发电器利用相变腔的结构灵活性和相变介质的高效传热特性提升发电性能。然而,目前已有的对于相变腔内复杂的沸腾–冷凝耦合传热问题的研究较少,基于此,本文试图通过开展相关实验探究有限空间内的沸腾–冷凝耦合相变传热特性。本实验搭建了沸腾和冷凝耦合相变传热实验台,主要研究了加热功率、相变介质充液率、冷凝换热面积等参数对相变传热特性的影响。结果表明：相变腔的总热阻随加热功率的增大而减小;相变腔存在最优相变介质充液率,相变介质充液率过高或过低均不利于整体的相变传热性能,在本实验条件下,最佳充液率为50%;当沸腾换热面积不变时,减小冷凝换热面积有利于强化相变腔的传热性能。     

平板上蒸发液滴内表面张力作用下流动的研究

一、前言 相界面的传热、传质过程往往伴随着流体内部的对流运动。由界面张力(表面张力)驱动的流体流动,对于热、质交换的强化起着重要作用。人们对于平板上水平液膜,流体介质中的液滴等现象进行了广泛的研究,揭示了许多表面张力驱动流动的性质,以及它与传热、传质的关系。对于水平平板上厚度小于1mm的薄液膜,液膜内的流动主要是由于温差引起的表面张力梯度触发的Bénard细胞流。实验研究发现:在水平平板上蒸发的液滴内也会出现Bénard细胞流。但是,液滴与液膜存在形状上的差异,故内部流动形式也将不同。若把小接触角的液滴看作是各处厚度不等的液膜,可以预见滴内的细胞     

低温均匀相变的格子Boltzmann方法模拟

文中基于气液两相接触时的传质机理和两相格子Boltzmann理论模型,提出相界面的密度数处于气液相密度数之间,对低温液滴相变进行了模拟研究。在低温状态下,对单个液滴进行了均匀蒸发现象模拟,分析了不同过热度对蒸发速率的影响,并模拟运动液滴的相变。结果表明,所采用的格子Boltzmann方法能够有效分析模拟低温介质的相变。     

加热基底上附壁液滴蒸发动力学实验研究

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度波动、热流体波及Bénard-Marangoni流胞,而水滴表面则没有明显温度波动。随着基底温度升高,液滴内部热对流增强;随着液滴高度降低,乙醇液滴蒸发速率先减小、后增大,而水滴蒸发速率则无明显变化。实验结果证实热对流对液滴蒸发速率具有明显促进作用。     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

带有相变空间的平板环路热管蒸发段的可视化实验研究

以强化相变力驱动环路热管内工质流动为目的,研究了以水为工质的一种平板式环路热管的蒸发段部分。实验所设计的蒸发器其加热底面与吸液芯分隔开来而形成相变空间,为了更好的观察及研究工质的相变特性,将系统设置为开式系统,并且采用可视化装置进行研究。实验以在不同加热功率和相变空间高度条件下,进行了多组实验,来分析它们对系统的性能影响。通过实验现象及实验数据的分析,得出相变空间对系统产生的影响。结果表明:相变空间的存在,有效提高了热管的换热性能。     

附壁氩液滴蒸发过程的分子动力学模拟

为了了解附壁液滴的蒸发特性,利用分子动力学方法对铜基底上氩液滴的蒸发过程进行了模拟。结果表明,随着蒸发过程的进行,液滴中的氩原子逐步扩散到周围真空环境中,并最终达到蒸发稳定状态。稳态蒸发时液滴近似为球冠状,在固-液界面存在一个密度较大的吸附层,在汽-液界面存在一个密度骤降的区域,60%的蒸发发生在三相接触线区域.温度越高,系统达到稳态所需时间越短,蒸发越快,固-液界面吸附层密度越小,接触角越小;同时,固-液之间的能量参数越大,接触角越小。     

疏水表面蒸发液滴下气液界面形态演化研究

研究蒸发液滴下气液界面的形态演化可为换热表面性能改进提供指导。本文以单个微槽及槽内液滴下气液界面为研究对象,运用能量分析法确定了疏水微槽表面放置液滴下气液界面的初始形态,提出了蒸发液滴上下气液界面同步演变理论,并利用该理论对液滴下气液界面失稳的原因、条件及下气液界面曲率的变化规律进行了探讨。结果表明,放置在疏水微槽表面上的液滴,其初始下气液界面与槽壁形成的微观接触角会介于0和本征接触角之间,在形态上呈现为曲率圆。当蒸发液滴下气液界面与槽壁形成的微观接触角大于一定数值后,会引发液滴下气液界面失稳,失稳后的液滴下气液界面形态受槽壁与水平面夹角的影响较大。     

亲水表面金纳米流体液滴光热蒸发特性研究

金纳米颗粒在可见光区具有高消光效率引起科研人员关注。金纳米流体被用作太阳能体吸收工质。通过太阳能加热亲水表面金纳米流体液滴蒸发实验,详细研究了液滴蒸发过程特性。液滴蒸发过程中液滴几何参数和表面温度被仪器实时记录。液滴蒸发主要为常接触面积模式,接触角逐渐减小。液滴体积随时间线性变化,与传统理论蒸汽扩散模型结果不同。本文研究能帮助指导太阳能光热利用以及液滴蒸发在工业中的应用。     

平板多孔芯冷凝器内工质相变换热的EOF方法

本文采用一种新的方法-流体能量(EOF)法,来研究平板多孔芯冷凝器内工质流动与相变换热特性,重点讨论了冷凝器内汽液相变界面的位置及其影响因素,对其进行了理论建模与数值计算,得出了蒸汽冷凝时所形成的汽液相变界面位置,并与现有的实验结果进行了对比,最后定性地分析了不同入口速度和冷却热流量下的汽液界面情况。     

带自由面流体的多体耗散粒子动力学模拟

利用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法对介观尺度下液滴动力学进行了模拟分析,探讨了MDPD系统中液气共存界面的形成,并对表面张力进行了模拟研究,研究结果表明,MDPD方法形成的液气共存界面满足Laplace定律,通过改变不同的粒子间保守力作用参数,获得了液滴在固体壁面上不同的接触角,并研究了保守力作用参数与接触角之间的变化规律,进一步模拟了液滴在复杂微通道内的流动,研究结果有助于解释带自由面流体在粗糙表面上的运动行为。     

组合式吸液芯内液汽相变过程的数值模拟

本文对高温热管吸液芯多孔介质内金属钠液的液汽相变过程进行了模拟研究,并采用流体体积分数模型和传质模型对此过程进行了数值分析.研究表明孔隙率和渗透率越大的组合式吸液芯多孔介质,热量在液态金属中的传递速率越快,进而可以增加高温热管的传热量,提高传热效率;但是孔隙率和渗透率越大,组合式吸液芯多孔介质加热壁面的温度分布越不均匀,产生沸腾传热极限的可能性亦越大.     

蒸发相变与界面流动耦合机理研究

本文提出了一种新模型来研究液层在其纯蒸气中的蒸发热动力学特征,尤其是当蒸发界面张力驱动流占主导作用时(如微重力环境中)液层热毛细对流和界面蒸发始终耦合在一起。气-液界面的传热传质规律有待深入研究。本文数值模拟研究了蒸发相变界面热毛细对流与蒸发效应的耦合机质,得到了不同蒸发模式和不同强度热毛细对流蒸发液层的温度分布、蒸发速率以及对流流场分布的数值解。论述了蒸发Biot数和Marangoni数对界面传热传质的影响,发现并解释了蒸发和热毛细耦合的三种模式。     

基于格子Boltzmann方法的二维气泡群熟化过程模拟

Ostwald熟化(ripening)是指局部热力学平衡状态下,颗粒/液滴/气泡系统为了减小界面能而自发地进行颗粒群尺度分布调整的过程,具有重要研究价值.针对目前数值模拟研究不充分的现状,本文采用格子Boltzmann方法,对相变速率主控的二维蒸气泡系统演化开展了数值模拟研究.模拟结果与本文推导的二维气泡群演化标度律符合较好,证实了格子Boltzmann方法对复杂相变-物质输运过程捕捉的准确性.研究同时表明,蒸气泡系统演化过程中物质输运为液相压力不平衡所驱动,并且在小气泡“溃灭”过程中水动力学作用会影响气泡群半径分布函数的局部细节;气-液状态方程参数对熟化过程的影响效果分析显示,气液两相比内能差是驱动相变的核心要素,此差异越大相变速率越快,该结论进一步诠释了化学势驱动熟化过程的物理图像.     

Y型微通道内双重乳液流动破裂机理

基于体积分数法建立了Y型微通道中双重乳液流动非稳态理论模型,数值模拟研究了Y型微通道内双重乳液破裂情况,详细分析了双重乳液流经Y型微通道时的流场信息以及双重乳液形变参数演化特性,定量地给出了双重乳液流动破裂的驱动以及阻碍作用,揭示了双重乳液破裂流型的内在机理.研究结果表明:流经Y型微通道时,双重乳液受上游压力驱动产生形变,形变过程中乳液两端界面张力差阻碍双重乳液形变破裂,两者正相关;隧道的出现将减缓双重乳液外液滴颈部收缩速率以及沿流向拉伸的速率,并减缓了内液滴沿流向拉伸的速率,其对于内液滴颈部收缩速率影响不大;隧道破裂和不破裂工况临界线可以采用幂律关系式l~*=βCa~b进行预测,隧道破裂和阻塞破裂工况临界线可以采用线性关系l~*=α描述;与单乳液运动相图相比,双重乳液运动相图各工况的分界线关系式系数α和β均相应增大.     

乙醇蒸汽氛围中水滴蒸发热动力学特性实验研究

为了探究异质蒸气氛围对附壁液滴蒸发过程的影响，采用实验观测的方式分析了低压乙醇蒸气氛围中水滴蒸发热动力学特性。实验结果表明，液滴蒸发冷却效应诱导产生气液界面处的切向温度梯度及液滴内部的法向温度梯度。液滴蒸发初期，切向温度梯度诱导产生的Marangoni流动占据主导地位，自由界面近三相线处温度分布呈齿轮状。随着蒸发的进行，齿轮状热流型逐渐演变为多流胞状结构，并逐渐脱离三相线朝自由界面中心处移动。随着液滴高度的降低，法向温度梯度逐渐占据主导地位，浮力效应诱导产生Bérnard-Marangoni流胞。在低压乙醇蒸气氛围中，乙醇在液滴界面生成溶解热，使得界面热质传递过程更为复杂，观察到多类不稳定流型演化过程。随着初始时刻乙醇蒸气压力的降低，液滴蒸发速率增加，流动不稳定性增强。     

局部沸腾液滴内部气泡动态行为研究

本文采用微加热器对液滴进行局部加热,并对其蒸发沸腾现象进行了可视化研究。液滴局部加热后产生局部沸腾现象,内部生成单气泡,气泡附着在加热基板上,持续生长,当达到某个临界点气泡破裂。在加热初期,气泡生长速度很快,随着加热过程的不断进行,气泡的生长速度逐渐放缓;随着气泡生长顺序的不断推迟,最大直径减小;加热功率的提升会增加气泡的生长速度,缩短气泡的生长时间。通过对气泡破裂过程的研究,气泡破碎过程开始于气泡上方的液膜断裂,形成不稳定的瑞利流和向上喷射的液滴,在表面张力的作用下,恢复初始状态,气泡破裂直径大小会影响液滴的波动幅度与周期。