陈晓峰[1]2002年在《固液表面自由能差强化蒸汽冷凝传热的研究》文中提出为了考察固液表面自由能差对膜状冷凝传热系数的影响，本文从液膜流动的角度出发，推导出了接触角与冷凝传热系数的关联式。计算结果表明，接触角在一定范围内，膜状冷凝传热系数随着接触角的增大而增大；而当接触角较小(接近0°)时，本文关联式的计算结果与经典的Nusselt理论相符。 本文实验研究了相同冷凝实验条件下的水蒸汽在紫铜基离子注氮表面、紫铜基机械抛光表面、黄铜基DLC表面、黄铜基机械抛光表面上的滴状冷凝传热特性，考察了固液表面自由能差的变化(通过压力来调节)对冷凝传热的影响。实验结果表明，在相同的操作条件下，冷凝传热系数随着固液表面自由能差的增大而增大。紫铜基机械抛光表面的冷凝传热系数和热通量在实验压力为常压、70kPa、46kPa时分别比紫铜基离子注氮表面提高10％、16％、15％。黄铜基DLC表面上冷凝传热系数和热通量在实验压力为常压、70kPa、46kPa、31kPa时比相同条件下黄铜基机械抛光表面分别提高8％、13％、34％、34％。 以乙二醇蒸汽为冷凝工质，实验研究了固液表面自由能差的变化对膜状冷凝传热的影响。实验结果表明，乙二醇在紫铜基离子注氮表面、紫铜基机械抛光表面、黄铜基DLC表面上的膜状冷凝传热系数实验值分别比相同条件下的Nusselt计算值提高40％、28％～42％、25％～43％。实验数据与本文建立的数学模型的计算结果的变化趋势相一致。
张宇[2]2004年在《液固表面自由能差效应强化冷凝传热的机理研究》文中研究指明本文主要研究液固表面自由能差效应对冷凝传热特性的影响。从实验和理论两方面研究接触角和液滴脱落直径等界面现象因素在滴状冷凝传热过程中的作用，揭示表面自由能差与冷凝形态、冷凝传热特性之间的作用机制。 基于实验观测，提出了竖壁上液滴接触线形状为两个椭圆组合的新型物理模型，并推导了竖壁上液滴脱落直径的表达式。结果表明，前进、后退接触角和平衡接触角是决定液滴脱落直径的重要因素。实验研究了水和乙二醇在不同表面上的液滴脱落直径，实验结果与模型预测结果吻合较好。 滴状冷凝传热不仅与冷凝条件有关，也与液固界面的相互作用有密切的关系。本文综合考虑了冷凝条件、接触角和脱落直径等因素，建立了滴状冷凝传热模型。模拟计算结果表明液固自由能差越大，越有利于冷凝传热。同时解释了文献中滴状冷凝实验结果存在差异的原因可能是液固界面效应的影响。 实验测定了水蒸气冷凝压力为常压、0.12MPa、0.14MPa和0.16MPa时9组表面的热通量和冷凝传热系数与表面过冷度的关系。表面过冷度小于10K冷凝传热系数比Nusselt理论值有所提高，不同表面的提高幅度不同，最大可提高2.4～4.6倍。相同冷凝压力和表面过冷度下，热通量和冷凝传热系数随液固表面自由能差的增大而增大。实验结果与本文滴状冷凝传热模型计算结果相符。 本实验在常压下以乙醇-水二元混合蒸汽为工质，测定低能复合涂层表面和紫铜表面上的冷凝传热特性。两种表面上冷凝形态随表面自由能差变化有相同的规律，冷凝形态呈现从膜状过渡到滴状的一系列形态。本文和文献的实验结果均表明：表面自由能差小于13～15mJ／m~2时为膜状冷凝。表面自由能差大于13～15 mJ／m~2后冷凝传热系数就随着表面自由能差的增大而急剧增加，此时冷凝形态发生变化。表面自由能差在18～22 mJ／m~2范围冷凝传热系数出现高峰，即达到滴状冷凝。本文首次引入表面自由能差概念来解释二元混合蒸汽冷凝现象，分析了二元混合蒸汽冷凝过程表面自由能差的形成机理，揭示了冷凝传热特性随表面自由能差渐进变化的规律。
彭本利[3]2014年在《液滴动态特性调控强化冷凝传热的研究和LB模拟》文中进行了进一步梳理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。
李晓楠[4]2008年在《自组装膜表面强化冷凝传热的研究》文中认为蒸汽冷凝传热过程在航天、动力及化工等领域都有广泛的应用,其换热性能的强化对节约能源及工程费用具有重要意义。滴状冷凝由于极高的传热性能而具有更高应用价值。利用界面特性强化冷凝传热是一条极有前景的途径。本文重点在于研究冷凝壁面微观形貌、表面自由能、气液气固界面作用等界面作用特征影响冷凝传热的微观机制。通过控制氧化等方法在紫铜基表面构建了纳米微观结构,并采用分子自组装膜技术修饰表面,研究壁面微观特征对冷凝传热的影响。通过常压蒸汽环境的滴状冷凝实验,研究气液、气固界面作用特性对蒸汽冷凝传热过程的影响。基于表面性能温度取向的概念,本文优化了分子自组装膜技术制备超疏水表面的工艺条件。采用控制氧化的方法在紫铜基体上构筑了微纳米结构,经过分子自组装膜技术处理后成功制备得到超疏水表面,测量表面接触角最大达到170.0°,平均达到163.0°,接触角滞后小于5°。结合对表面的扫描电镜、红外光谱分析结果,可以发现,适宜的热处理温度可以使十八烷基硫醇分子在溶液中充分取向形成有序排列,是影响分子自组装膜表面疏水性能的关键因素,氧化处理形成的双重粗糙度是超疏水表面的成因。通过不同的基体处理条件得到普通的十八烷基硫醇自组装膜疏水表面和超疏水表面。实验研究了蒸汽冷凝条件下两类表面的纯蒸汽滴状冷凝传热特性,超疏水表面上的滴状冷凝传热系数在高过冷度下是膜状冷凝的2倍,在低过冷度下与膜状冷凝传热相当,没有强化效果。而普通疏水表面的冷凝传热系数在实验的过冷度范围内均有强化效果,比膜状冷凝传热系数提高3-6倍。实验结果表明,影响传热的实质是固液表面自由能差和由微观形貌引起的接触角滞后等界面效应。研究了普通的分子自组装膜表面的滴膜共存冷凝传热。表明控制热处过程的表面性能取向,可以实现膜表面上水蒸气冷凝形态从膜状到滴状的过渡。实验结果表明,过渡状冷凝传热随固液自由能差渐进变化的实质是冷凝形态的渐进变化,表面上冷凝液的相对位置的不同也将导致传热性能的改变。
温荣福[5]2015年在《低压蒸汽滴状冷凝传热微观机理及强化》文中进行了进一步梳理蒸气冷凝作为典型的相变现象,普遍存在于自然界与日常生活中,同时作为高效的传热形式被广泛应用在工业生产中。其中,低压蒸汽冷凝在低品位余热回收领域具有重要的应用,如低压蒸馏、低温多效海水淡化、低温热泵和热管技术等。随着蒸汽压力下降,界面传递阻力显着升高,降低了冷凝过程的传热性能。与膜状冷凝相比,滴状冷凝可以有效地降低表面凝液引起的导热热阻,而且液滴动态行为促进汽液界面的传递过程,成为了低压蒸汽冷凝传热的理想强化策略。本文结合实验观测、数值模拟和理论分析,系统地研究了低压蒸汽滴状冷凝过程液滴动态特性、尺寸分布及演化规律和表面温度演化特征,揭示了蒸汽滴状冷凝传热微观机理；利用超疏水表面界面效应促进液滴合并弹跳,实现了低压蒸汽冷凝传热强化。设计搭建了低压蒸汽冷凝传热实验系统,考察了蒸汽压力对滴状冷凝传热性能和液滴动态行为的影响规律。结果表明,随着蒸汽压力下降,滴状冷凝传热系数先缓慢降低而后迅速下降。结合液滴传热模型,分析了低压蒸汽冷凝传热控制机理,表明液滴生长受汽液界面传递过程的影响随着压力降低而加强。实验发现了低压蒸汽冷凝中存在液滴脱落滞后现象,延缓了表面更新频率,揭示了液滴运动与宏观传热间的内在关联。通过引入液滴动态特性,修正了经典滴状冷凝传热模型,准确地预测了蒸汽压力和表面过冷度对滴状冷凝传热特性的影响规律。实验观测了不同蒸汽压力下液滴瞬态尺寸分布演化与稳态尺寸分布规律,揭示了蒸汽压力对液滴生长特性的影响规律。初始冷凝液滴呈现出由正态分布到双峰分布再到指数分布的瞬态尺寸演化特征,随着蒸汽压力降低,核化点密度减小且液滴生长速率减慢。与常压蒸汽相比,低压条件下冷凝表面小液滴密度减小,而大液滴出现频率升高,增加了冷凝表面液滴的平均尺寸。利用液滴脱落动态滞后模型,解释了液滴动态行为降低动态滞后角的现象；从局部能垒角度出发,阐明了液滴非连续性脱落行为的物理机制。利用红外热成像技术观测了低压蒸汽冷凝中液滴表面温度分布与演化特征,直观地获得了液滴运动引起的微细传热现象。结果表明,冷凝液滴表面温度呈现中间高边缘低的分布特征。蒸汽冷凝过程与液滴生长行为和界面演化密切相关,与微液滴的传热不同,大液滴通过运动更新汽液界面促进蒸汽发生快速冷凝,揭示了液滴行为引起的界面演化对宏观传热影响的内在机制。与超疏水表面相比,疏水表面更有利于液滴核化生长,表面温度分布更不均匀,液滴运动引起的表面温度波动更剧烈。结合模型分析、SE模拟和可视化实验,从蒸汽初始核化入手,考察了表面结构和冷凝条件对初始核化液滴及微液滴润湿模式的影响规律。根据冷凝液滴的跨尺度生长特性和超疏水表面结构特征,提出了表面结构对液滴生长的空间限制效应。利用V形纳米结构控制液滴初始核化形态和位置,揭示了超疏水表面上冷凝液滴的润湿转变机理。利用浸润因子来描述冷凝液滴的浸润程度,模型计算结果很好地预测了液滴表观接触角和滞后角的变化规律。结果表明,当液滴初始核化尺寸与纳米结构尺寸具有可比性时,核化倾向于在靠近纳米柱顶端的位置发生,从而形成悬挂模式的液滴,有利于合并诱导弹跳；随着表面过冷度增加,液滴核化尺寸大大减小,蒸汽在纳米结构间随机发生核化,形成了浸润模式的冷凝液滴,导致表面的超疏水性失效。通过控制氧化刻蚀时间制备了四种不同纳米结构的超疏水表面,实验考察了表面结构和表面过冷度对液滴合并弹跳行为的影响规律。随着纳米结构长度和间距的增加,液滴弹跳尺寸增加,而弹跳频率下降。随着表面过冷度提高,冷凝液滴在纳米结构内的浸润程度增加,合并初始弹跳速度减小,最佳合并弹跳尺寸增大。将冷凝液滴的润湿特性引入液滴合并诱导弹跳模型,分析了纳米结构尺寸和表面过冷度对液滴合并初始弹跳速度的影响机理,结果表明,蒸汽冷凝环境中液滴的动态行为由纳米表面结构、冷凝条件和液滴尺寸共同决定。实验发现了超疏水表面冷凝液滴润湿模式转变的不可逆性和传热性能随过冷度变化的单向性。利用超疏水表面实现了蒸汽在低过冷度范围内的冷凝传热强化,传热系数明显高于相同条件下膜状冷凝,甚至超过了光滑疏水表面的滴状冷凝传热性能。通过对比叁种超疏水表面的传热性能可以看出,合理地设计和优化表面结构可以拓宽超疏水表面的强化传热区间,为低压蒸汽冷凝传热强化提供了实验基础和指导原则。
吴羽隆[6]2015年在《表面润湿性及重力协同控制下的冷凝流动特性》文中研究指明蒸汽冷凝现象广泛应用于各种工业生产中,例如空调系统、制冷技术、汽车产业以及很多其他的过程工业。如何高效能利用能源、强化传热的效率,是研究者们长期关注和研究的问题。一般对于冷凝传热的强化可以从两个角度考虑：一是增加扩展表面,即对管的表面作出结构上的变化,常见的有翅片管、螺旋管和波纹管等；二是改变表面润湿性,通常可以通过处理固体表面来实现,增大蒸汽冷凝液滴在固体壁面上的表观接触角,使之形成滴状冷凝,进而强化了固液间的传热性能。本文结合表面改性的方法改变其表面润湿性,探究倾斜角度和不凝气对蒸汽冷凝传热的影响,对不同倾斜角度的管外蒸汽冷凝强化提供一定的参考,为其在工程中的实际应用给予数据支持。首先搭建了倾斜管外混合蒸汽冷凝的实验装置,并验证实验系统的热平衡,利用分子自组装膜的方法在紫铜管表面制备了十八烷基硫醇疏水表面及经过氧化刻蚀的十八烷基硫醇超疏水表面。实验考察了在纯蒸汽和含10%不凝气的混合蒸汽条件下,不同倾斜角度的疏水和超疏水表面的冷凝流动及传热特性,实时监测并采集测试温度和压力值,计算冷凝传热数据,并通过高速摄像仪从不同拍摄位置对液滴冷凝形态和流动特性进行观测和分析。实验数据显示：处于铜管不同位置的液滴具有不同程度的接触角滞后,且影响较大；在含10%不凝气的混合蒸汽条件下,疏水表面不同位置液滴的接触角滞后程度均小于纯蒸汽条件下；对于铜管不同的倾斜角度,其接触角滞后均在一定程度上具有随着倾斜角度的增大而减小的变化趋势；在疏水表面条件下,液滴的脱落直径随着倾斜角度的增大而减小；在超疏水表面条件下,液滴的脱落直径随着倾斜角度的增大而增大；冷凝液对超疏水表面的冲刷周期均大于疏水表面,当表面润湿性相同,混合蒸汽条件下的表面冲刷周期均大于纯蒸汽条件下的冲刷周期。对于不同倾斜角度的疏水表面,在相同表面过冷度时,随着倾斜角度的增大,管外传热系数近似相等,稍有减小的趋势；对于纯蒸汽超疏水表面,倾斜角度为0。、30。和45。时,其传热性能近似相等,在60。时传热性能出现较大值。
阮艺平[7]2012年在《铜表面物理化学特性对蒸汽冷凝传热特性的影响》文中研究说明蒸汽冷凝传热广泛应用于化工、能源、医疗等各个工业领域,滴状冷凝是冷凝传热效率最高的冷凝模式。本文分析了表面粗糙度、化学异质性和表面纳米晶对金属表面冷凝传热特性的影响,为开发强化冷凝传热的新方法提供理论和试验依据。通过不同粒度砂纸打磨纯铜表面获得不同粗糙度的试样,研究粗糙度对润湿性及蒸汽冷凝传热特性的影响。结果表明,当表面粗糙度Ra=0.15μm时,滴状冷凝的液滴区域面积和冷凝传热系数达到最大值。试验中发现,蒸汽冷凝致表面氧化形成的化学异质性对冷凝传热具有强化作用,具有化学异质性铜表面的冷凝传热系数约为纯铜表面的1.4倍,为完全膜状冷凝传热系数的3.5倍。深冷脉动旋压致纳米晶表面的润湿性及冷凝传热特性研究结果表明,与退火态铜表面相比,纳米晶表面的表面自由能更低,具有化学异质性的纳米晶铜表面的表观接触角达到114°,其表面为理想的滴状冷凝模式。但由于其滞后接触角也增大到35°,液滴脱落阻力增大,使得其冷凝传热系数仅为膜状冷凝的2.5倍。静态接触角、滞后接触角等表面润湿性能对冷凝传热特性起决定作用。
贾巍[8]2018年在《湿法纺丝制备PVDF中空纤维换热管及其传热强化研究》文中指出以金属管作为换热元件的列管式换热器是热法海水淡化领域应用较广的一种热量交换设备,但其长期存在金属腐蚀及管表面结垢问题。利用氟塑料换热管制备的列管式塑料换热器,因耐腐蚀、抗污染,是近年来传热领域研究的热点之一,但换热管低的导热性能,阻碍了塑料换热器的推广应用。针对塑料换热管导热系数低的问题,本文采用非溶剂致相分离法(NIPS),通过控制纺丝液中磺化聚醚砜(SPES)固含量(WSPES)和磺化度(DSSPES),制备出具有致密层/非致密层复合结构,外表面接触角分别为49.8°±0.5°、78.1°±0.3°的PVDF/SPES中空纤维表面亲水、PVDF中空纤维表面疏水换热管。利用换热管致密的外皮层,阻隔换热器管程与壳程两侧流体,通过在非致密层内填充较PVDF基质具有更高导热系数液态水的方法,提高换热管的导热性能。本文将单根表面亲水、疏水中空纤维换热管编织,制备PVDF列管式塑料换热器,一方面通过增加换热管两侧流体在换热管表面上的径向扰动,从而强化两侧流体的对流传热性能;另一方面,在列管式塑料换热器壳程,构建蒸汽冷凝用亲/疏水组合表面,利用组合表面上亲水、疏水区域协同作用,从而强化组合表面上蒸汽冷凝传热。通过以上两种途径,及换热管非致密层内填充水而提高其导热性能的方法,最终实现PVDF列管式塑料换热器在蒸汽冷凝过程的传热强化。本文深入研究了中空纤维表面亲水、疏水换热管制备、结构与性能表征的方法,表面亲水、疏水中空纤维换热管编织强化蒸汽冷凝传热,及亲/疏水组合表.面强化蒸汽冷凝传热。研究表明,较熔融拉伸法制备的结构致密的PVDF中空纤维表面疏水换热管而言,NIPS法制备的中空纤维表面亲水、表面疏水换热管的导热系数均提高了约2.7倍;较表面亲水换热管(非编织)而言,表面疏水换热管(非编织)的蒸汽冷凝总传热系数(K)稍高些;换热管编织可使单一的亲水或疏水表面上的K值提高约(10.8±0.3)%;较单一的亲水表面、疏水表面(编织)而言,构建亲/疏水组合表面,可分别使K值提高(36.2±0.2)%、(27.6±0.3)%。本文通过制备中空纤维表面亲水、表面疏水换热管而研制的PVDF列管式塑料换热器,能够实现其传热过程的强化。该研究,对促进列管式塑料换热器的发展,具有重要意义。
沈超群[9]2016年在《表面特性对微尺度冷凝的影响机理研究》文中认为微尺度冷凝是微热管、芯片实验室、微燃料电池等微型器件中的关键热物理过程,该方向的研究具有重要的应用前景和学术价值,已成为工程热物理领域的一个重要研究课题。通过对冷凝表面做改性处理,可以使表面具有疏水性、梯度表面能等特性,这有利于强化冷凝换热。相对于常规尺度,在微尺度条件下,表面特性对冷凝过程的影响更为突出,因此,有必要深入研究表面特性对微尺度冷凝影响机理。目前,冷凝表面特性对微尺度冷凝影响机理的研究还相对较少,特别是表面浸润性及表面能梯度等对冷凝过程中气液两相流型的影响机理,以及微尺度下疏水壁面上冷凝液滴的运动特性还缺乏深入研究。为此本文开展了疏水微通道内水蒸汽及水-酒精混合蒸汽的流动冷凝过程可视化实验研究：基于VOF方法数值模拟研究了矩形微管道内冷凝液滴运动及合并特性；采用格子Boltzmann方法自由能模型模拟了表面能梯度表面的蒸汽冷凝及冷凝液滴自驱动式运动及合并。概括起来,本论文的主要研究内容及研究结论如下：(1)采用MEMS工艺加工了宽深比为3、水力直径为150μm、通道有效长度为56mm,通道壁面水接触角为96°的疏水硅微通道芯片。设计搭建了疏水微通道流动冷凝可视化实验台,观测了芯片水平放置下的冷凝流型演化,测试流动冷凝换热性能。实验研究结果表明：①在疏水微通道内,沿流动方向依次出现了珠状流、珠状-环状复合流、珠状-喷射复合流和珠状-泡状/弹状复合流等流型；珠状流及珠状.环状复合流区域内存在液滴合并及在蒸汽剪切作用下脱落现象。②随着通道入口蒸汽Reynolds数和冷凝液Weber数的增加,珠状-喷射复合流的位置向通道出口推移,且喷射频率增加。③沿着工质流动方向芯片壁面温度逐渐减低,在珠状-喷射复合流前温度下降缓慢,在珠状-喷射复合流后壁面温度下降明显；冷凝平均换热系数随Reynolds数的增加而增大。(2)以水-酒精混合蒸汽为实验工质,观测了混合蒸汽在疏水微通道内沿流动方向的流型分布及演化,分析了不同酒精质量分数条件下的冷凝流型特点。实验结果表明：①当混合蒸汽中水蒸汽占主导时,珠状凝结几乎占据整个气液两相区域内的通道壁面,通道内沿程依次出现珠状流、珠状-溪状复合流、珠状-环状复合流、珠状-喷射复合流和珠状-弹状/泡状复合流。②当酒精浓度逐渐升高至与水蒸汽相当时,喷射流后的珠状凝结消失而出现弹状/泡状流。③当混合蒸汽中酒精占主导时,珠状凝结基本消失,沿程依次出现环状-溪状复合流、环状流、喷射流和弹状/泡状流；纯酒精蒸汽下溪状流消失。④相同的Rev条件下,喷射流位置随混合蒸汽中酒精质量浓度的减小向通道出口推移；珠状-喷射复合流频率随混合蒸汽中酒精质量浓度的增加先升高后降低,当质量浓度为10%时,频率达到最大值,当浓度大于60%后,酒精质量浓度对喷射频率的影响明显减弱。⑤降低微通道表面自由能,有利于混合蒸汽在流动冷凝过程中形成珠状凝结。(3)为深入研究微尺度下疏水壁面上冷凝液滴的运动特性,本文基于VOF气/液相界面追踪方法建立了水蒸汽强制对流条件下的液滴运动及合并行为叁维动力学模型,数值模拟了矩形微通道内的两个液滴在强制对流作用下的运动及合并过程。研究结果表明：①液滴尺寸相同及大液滴在前工况下出现液滴合并,大液滴在后工况中未出现合并。②由于接触角滞后现象,液滴向水蒸汽流动方向偏斜：合并发生后,液滴与壁面接触面积发生振荡并逐渐衰减至一个稳定值,且蒸汽流速越大,稳定后的接触面积越大。③水蒸汽速度越大,合并时间越短,合并距离则随入口水蒸汽流速先增大后减小。④前方液滴尺寸大于后方液滴尺寸时,前方液滴的滑动速度大于后方液滴的滑动速度,液滴间距逐渐增大。(4)利用格子Boltzmann方法自由能模型模拟了蒸汽在梯度表面能表面上冷凝过程中的液滴运动和合并过程。考察了固体表面能梯度和表面张力对液滴运动过程的影响,探讨了液滴在不同表面上变形、运动以及液滴运动过程内部流场变化,对比分析了均质表面和梯度表面上液滴合并过程的不同形貌。研究结果表明：①冷凝过程中,蒸汽在固体壁面高表面能侧凝结并铺展形成液膜,低表面能侧形成液滴。随着冷凝液不断累积,液滴不断长大、合并,并在不平衡表面张力的驱动下向表面能高的方向自运动。②高表面能侧的冷凝液滴接触角比低表面能侧的液滴接触角小,由于表面张力不平衡而在液滴内产生指向亲水侧的驱动力,当表面能梯度足够大时,液滴能克服接触角滞后的影响沿表面能增加方向运动。③梯度表面能表面上两液滴合并后向亲水侧偏移,凝结条件下运动液滴总是不断与前进方向上的液滴合并继而迅速移动。以上研究较系统地揭示了表面浸润性及壁面表面能梯度等因素对微尺度冷凝过程的影响机理,相关研究成果可为微型能质输运器件的设计与优化提供有力的理论支撑,同时,也是对微尺度冷凝理论的重要补充和完善。
马学虎[10]2003年在《强化相变传热的新思路:液固表面自由能差效应》文中研究指明相变传热强化对于化工、制冷、发电和动力、航天热控技术等领域具有重要的理论意义和广泛的应用背景。在过去的几十年中,研究者提出了许多强化元件或表面,改变表面材料物理化学性质,制备具有低表面自由能的涂层是其中的一种重要方法。例如,实现蒸汽的滴状冷凝现象等。但是,过去在研究涂层表面强化相交传热的机理时都没能很好地解释固体表面特性的作用。传统的Nusselt液膜理论在理论推导以及
参考文献：
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[4]. 自组装膜表面强化冷凝传热的研究[D]. 李晓楠. 大连理工大学. 2008
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