本文關(guān)鍵詞：表面特性對微尺度冷凝的影響機(jī)理研究

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【摘要】：微尺度冷凝是微熱管、芯片實驗室、微燃料電池等微型器件中的關(guān)鍵熱物理過程,該方向的研究具有重要的應(yīng)用前景和學(xué)術(shù)價值,已成為工程熱物理領(lǐng)域的一個重要研究課題。通過對冷凝表面做改性處理,可以使表面具有疏水性、梯度表面能等特性,這有利于強(qiáng)化冷凝換熱。相對于常規(guī)尺度,在微尺度條件下,表面特性對冷凝過程的影響更為突出,因此,有必要深入研究表面特性對微尺度冷凝影響機(jī)理。目前,冷凝表面特性對微尺度冷凝影響機(jī)理的研究還相對較少,特別是表面浸潤性及表面能梯度等對冷凝過程中氣液兩相流型的影響機(jī)理,以及微尺度下疏水壁面上冷凝液滴的運動特性還缺乏深入研究。為此本文開展了疏水微通道內(nèi)水蒸汽及水-酒精混合蒸汽的流動冷凝過程可視化實驗研究：基于VOF方法數(shù)值模擬研究了矩形微管道內(nèi)冷凝液滴運動及合并特性；采用格子Boltzmann方法自由能模型模擬了表面能梯度表面的蒸汽冷凝及冷凝液滴自驅(qū)動式運動及合并。概括起來,本論文的主要研究內(nèi)容及研究結(jié)論如下：(1)采用MEMS工藝加工了寬深比為3、水力直徑為150μm、通道有效長度為56mm,通道壁面水接觸角為96°的疏水硅微通道芯片。設(shè)計搭建了疏水微通道流動冷凝可視化實驗臺,觀測了芯片水平放置下的冷凝流型演化,測試流動冷凝換熱性能。實驗研究結(jié)果表明：①在疏水微通道內(nèi),沿流動方向依次出現(xiàn)了珠狀流、珠狀-環(huán)狀復(fù)合流、珠狀-噴射復(fù)合流和珠狀-泡狀/彈狀復(fù)合流等流型；珠狀流及珠狀.環(huán)狀復(fù)合流區(qū)域內(nèi)存在液滴合并及在蒸汽剪切作用下脫落現(xiàn)象。②隨著通道入口蒸汽Reynolds數(shù)和冷凝液Weber數(shù)的增加,珠狀-噴射復(fù)合流的位置向通道出口推移,且噴射頻率增加。③沿著工質(zhì)流動方向芯片壁面溫度逐漸減低,在珠狀-噴射復(fù)合流前溫度下降緩慢,在珠狀-噴射復(fù)合流后壁面溫度下降明顯；冷凝平均換熱系數(shù)隨Reynolds數(shù)的增加而增大。(2)以水-酒精混合蒸汽為實驗工質(zhì),觀測了混合蒸汽在疏水微通道內(nèi)沿流動方向的流型分布及演化,分析了不同酒精質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的冷凝流型特點。實驗結(jié)果表明：①當(dāng)混合蒸汽中水蒸汽占主導(dǎo)時,珠狀凝結(jié)幾乎占據(jù)整個氣液兩相區(qū)域內(nèi)的通道壁面,通道內(nèi)沿程依次出現(xiàn)珠狀流、珠狀-溪狀復(fù)合流、珠狀-環(huán)狀復(fù)合流、珠狀-噴射復(fù)合流和珠狀-彈狀/泡狀復(fù)合流。②當(dāng)酒精濃度逐漸升高至與水蒸汽相當(dāng)時,噴射流后的珠狀凝結(jié)消失而出現(xiàn)彈狀/泡狀流。③當(dāng)混合蒸汽中酒精占主導(dǎo)時,珠狀凝結(jié)基本消失,沿程依次出現(xiàn)環(huán)狀-溪狀復(fù)合流、環(huán)狀流、噴射流和彈狀/泡狀流；純酒精蒸汽下溪狀流消失。④相同的Rev條件下,噴射流位置隨混合蒸汽中酒精質(zhì)量濃度的減小向通道出口推移；珠狀-噴射復(fù)合流頻率隨混合蒸汽中酒精質(zhì)量濃度的增加先升高后降低,當(dāng)質(zhì)量濃度為10%時,頻率達(dá)到最大值,當(dāng)濃度大于60%后,酒精質(zhì)量濃度對噴射頻率的影響明顯減弱。⑤降低微通道表面自由能,有利于混合蒸汽在流動冷凝過程中形成珠狀凝結(jié)。(3)為深入研究微尺度下疏水壁面上冷凝液滴的運動特性,本文基于VOF氣/液相界面追蹤方法建立了水蒸汽強(qiáng)制對流條件下的液滴運動及合并行為三維動力學(xué)模型,數(shù)值模擬了矩形微通道內(nèi)的兩個液滴在強(qiáng)制對流作用下的運動及合并過程。研究結(jié)果表明：①液滴尺寸相同及大液滴在前工況下出現(xiàn)液滴合并,大液滴在后工況中未出現(xiàn)合并。②由于接觸角滯后現(xiàn)象,液滴向水蒸汽流動方向偏斜：合并發(fā)生后,液滴與壁面接觸面積發(fā)生振蕩并逐漸衰減至一個穩(wěn)定值,且蒸汽流速越大,穩(wěn)定后的接觸面積越大。③水蒸汽速度越大,合并時間越短,合并距離則隨入口水蒸汽流速先增大后減小。④前方液滴尺寸大于后方液滴尺寸時,前方液滴的滑動速度大于后方液滴的滑動速度,液滴間距逐漸增大。(4)利用格子Boltzmann方法自由能模型模擬了蒸汽在梯度表面能表面上冷凝過程中的液滴運動和合并過程。考察了固體表面能梯度和表面張力對液滴運動過程的影響,探討了液滴在不同表面上變形、運動以及液滴運動過程內(nèi)部流場變化,對比分析了均質(zhì)表面和梯度表面上液滴合并過程的不同形貌。研究結(jié)果表明：①冷凝過程中,蒸汽在固體壁面高表面能側(cè)凝結(jié)并鋪展形成液膜,低表面能側(cè)形成液滴。隨著冷凝液不斷累積,液滴不斷長大、合并,并在不平衡表面張力的驅(qū)動下向表面能高的方向自運動。②高表面能側(cè)的冷凝液滴接觸角比低表面能側(cè)的液滴接觸角小,由于表面張力不平衡而在液滴內(nèi)產(chǎn)生指向親水側(cè)的驅(qū)動力,當(dāng)表面能梯度足夠大時,液滴能克服接觸角滯后的影響沿表面能增加方向運動。③梯度表面能表面上兩液滴合并后向親水側(cè)偏移,凝結(jié)條件下運動液滴總是不斷與前進(jìn)方向上的液滴合并繼而迅速移動。以上研究較系統(tǒng)地揭示了表面浸潤性及壁面表面能梯度等因素對微尺度冷凝過程的影響機(jī)理,相關(guān)研究成果可為微型能質(zhì)輸運器件的設(shè)計與優(yōu)化提供有力的理論支撐,同時,也是對微尺度冷凝理論的重要補(bǔ)充和完善。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK124

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1296677