【摘要】：閃蒸噴霧冷卻不同潤濕性表面的實驗研究,對于電子芯片冷卻、航空器件冷卻等有著實際意義。本文采用實驗研究手段,利用化學(xué)氧化的方式制備了具有親水性、疏水性的銅基表面。建立可視化試驗系統(tǒng)對液滴在不同潤濕性表面的降壓汽化過程,以及閃蒸噴霧冷卻不同潤濕性表面時的實驗現(xiàn)象和傳熱特性進(jìn)行了實驗研究。以去離子水為工質(zhì),本文研究了降壓過程中液滴在親水表面和疏水表面上汽化的實驗現(xiàn)象,總結(jié)了環(huán)境壓力、表面初始溫度對液滴汽化過程形態(tài)變化的影響。實驗結(jié)果顯示:速降壓環(huán)境下液滴汽化過程可以分為四個階段:初始階段、快速汽化階段、固定接觸線階段和液滴快速收縮階段。液滴在疏水表面的汽化時間明顯長于親水表面,并且疏水表面上液滴的快速收縮階段占整個汽化周期的比例小于親水表面。對于親水表面,環(huán)境壓力越低,表面溫度越高,液滴汽化時間越短,定接觸線汽化階段所占整個汽化過程的比例越大。本文還研究了噴霧錐角隨環(huán)境壓力的變化,以及噴霧冷卻不同潤濕性表面的典型現(xiàn)象。結(jié)果顯示:在噴射過程中,噴霧錐角存在一個最大值,并且隨環(huán)境壓力減小、工質(zhì)溫度升高,最大噴霧錐角有所增加。對低壓環(huán)境下,噴霧冷卻不同潤濕性表面的可視化實驗研究顯示:噴霧至親水表面和光滑銅表面的汽化過程分為四個階段:液膜形成階段、液膜劇烈汽化階段、固定接觸線的汽化階段和液膜界面收縮階段。噴霧液滴在親水表面形成液膜的鋪展速度大于光滑銅表面,并且在這兩種表面上都出現(xiàn)氣泡爆裂,氣泡爆裂后光滑銅表面會有局部干涸現(xiàn)象。對于潤濕性較差的疏水表面,基本不發(fā)生液膜鋪展現(xiàn)象。繼而本文研究了低壓環(huán)境下噴霧冷卻不同潤濕性表面的傳熱特性。噴霧階段熱流密度迅速上升至最大值,繼而逐漸下降。相同工況下,噴霧冷卻親水表面的熱流密度較大,表面溫度下降也更快。在汽化階段,由于親水表面溫度較低,熱流密度下降也更快。而疏水表面主要在噴霧階段發(fā)生冷卻,熱流密度波動較大,表面溫度略有下降。實驗分析了環(huán)境壓力、工質(zhì)溫度、表面初始溫度對傳熱特性的影響。結(jié)果顯示:在親水表面和光滑銅表面,隨環(huán)境壓力的降低,噴霧階段的最大熱流密度并非一定增加。這是由于環(huán)境壓力對傳熱特性的影響有兩方面:1)環(huán)境壓力降低,工質(zhì)汽化越劇烈,其溫度下降也越快,有助于提高換熱性能;2)環(huán)境壓力越低,霧化效果越好,工質(zhì)對表面的沖擊減弱,使換熱性能有所下降。噴霧結(jié)束后的汽化階段,隨環(huán)境壓力降低,汽化越劇烈,表面溫度下降也越快。當(dāng)工質(zhì)溫度降低、表面初始溫度升高時,噴霧階段熱流密度越大,但對噴霧結(jié)束后汽化階段的熱流密度影響不大。而對于噴霧冷卻疏水表面,由于液膜很難鋪展,換熱僅存在于噴霧階段,液體沖擊對換熱性能影響顯著,同時工質(zhì)溫度越低、表面初始溫度越高時,噴霧階段的熱流密度越大。
【圖文】：

.2 表面潤濕性的介紹表面潤濕性常用表面接觸角進(jìn)行描述，接觸角是指在氣-液-固三相交點所氣-液界面的切線，此切線與固-液交界線之間的夾角為 θ，是潤濕程度的量度 0＜θ＜90°時，表面呈親水性。當(dāng) 90＜θ＜180°時，表面呈疏水性。對于表面的靜態(tài)接觸角，根據(jù)楊氏公式（Young Equation）來描述。液滴面平衡時的接觸角與界面張力之間的關(guān)系。γ = γ γ cos (其中：γ 為固-氣的界面張力；γ 為固-液的界面張力；γ 為氣-液的表面。對實際表面潤濕特性的描述有 Wenzel[63]模型和 Cassie[64]模型。Wenzel 認(rèn)糙表面固-液接觸面之間的真實接觸面積要大于表觀接觸面積，，使表面潤濕增大，即接觸角減小。Cassie 等認(rèn)為液滴在表面上不能填滿粗糙表面上尺寸的凹槽，所以液滴下方與固體表面間將有截留的空氣存在，于是表觀上的液觸面其實由固體和氣體共同組成，因此表面潤濕性減小。Cassie 模型如圖a）所示；親水表面液滴附著的 Wenzel 模型示意圖如圖 2-1（b）所示。

α1= 38.1° α2= 129.51° α3=94.9°（a）親水表面 (b)疏水表面 (c)光滑表面圖 2-2 不同潤濕性表面的接觸角測量圖2.4 實驗系統(tǒng)介紹本文建立了低壓環(huán)境下，液滴在不同潤濕性表面汽化過程的可視化實驗系統(tǒng)如圖 2-3 所示。實驗系統(tǒng)包括測試罐、真空系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四個部分。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB61

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