【摘要】：冷凝和結(jié)冰是復雜的自然現(xiàn)象,同時又與工業(yè)生產(chǎn)和日常生活息息相關(guān)。強化冷凝及防冰一直以來都是國內(nèi)外學者研究的熱點。近些年,疏水表面在冷凝強化和防冰等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應用前景,但疏水表面上的冷凝和結(jié)冰仍有諸多問題等待解決。本文將采用數(shù)值模擬的方法,對不同過冷度下疏水表面的相變情況進行一系列的研究,內(nèi)容包括在不同壁面溫度下疏水表面冷凝形態(tài)變化及高過冷度下疏水表面汽-液-固三相變化。具體如下:1.采用格子Boltzmann方法模擬研究了水平朝下疏水表面在不同過冷度下的冷凝形態(tài)及傳熱性能。本文探討了珠狀凝結(jié)時單個液滴的動態(tài)行為,統(tǒng)計分析了液滴的脫離直徑、脫離周期、成核時間及其影響因素。結(jié)合珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)時液滴或液膜附近的溫度場分析了局部熱流密度分布,并首次通過模擬手段得到了過冷疏水表面從自然對流區(qū)經(jīng)珠狀凝結(jié)區(qū)、過渡狀凝結(jié)區(qū)直至膜狀凝結(jié)區(qū)的完整冷凝曲線(熱流密度與壁面過冷度的關(guān)系)。結(jié)果表明,在定壁溫條件下,冷凝形態(tài)轉(zhuǎn)變過程中,冷凝面的時均熱流密度下滑;在定熱流條件下,冷凝形態(tài)轉(zhuǎn)變過程中,壁面溫度出現(xiàn)階躍性降低。最后,本文還通過數(shù)值模擬驗證了高過冷度下膜狀凝結(jié)時液滴脫離點的位置與Taylor不穩(wěn)定性的關(guān)系。2.建立了模擬汽-液-固三相變化的格子Boltzmann模型。本文在Gong-Cheng汽液相變模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合基于焓研究固液相變的方法,建立了描述汽-液-固三相變化的格子Boltzmann模型。以偽勢模型為基礎(chǔ),結(jié)合Gong和Cheng提出的與汽液相變相關(guān)的源項,完成了汽液相變的模擬。同時,在液態(tài)區(qū)間,計算區(qū)域內(nèi)各點的焓值并以此作為固液相變的判據(jù),采用沉浸移動邊界格式追蹤固液界面,實現(xiàn)固液相變的模擬計算。3.基于本文提出的汽-液-固三相變化格子Boltzmann模型,研究了三維空間內(nèi)高過冷度點源冷卻疏水表面上的汽-液-固三相變化。結(jié)果顯示,在疏水豎直表面的冷卻點源處會快速形成一個冷凝液滴,液滴貼近壁面部分凝固成冰。初始階段,液滴和冰都快速生長,熱流密度較高。隨著液滴和冰的不斷長大,冰表面的液膜在重力驅(qū)使下向下流動,下游區(qū)域冰的生長加快,而上游區(qū)域出現(xiàn)冰局部熔化。液滴向下蠕動變形,最終形成脫離液滴。液滴的動態(tài)行為直接關(guān)系著冰的生長及壁面的傳熱性能。此外,本文還討論了壁面傾斜角、壁面溫度以及潤濕性對冷凝和結(jié)冰過程的影響。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK124
【圖文】：

(b) 冷凝器 (c) 飛機結(jié)冰(b) Condenser (c) Aircraft freezing圖 1-1 自然界(a)及工業(yè)界(b, c)中常見的冷凝及結(jié)冰現(xiàn)象Fig.1-1 Condensation and freezing in nature (a) and industry (b, c)- 1 -

常見的冷凝模式有膜狀凝結(jié)(圖 1-2(a))和珠狀凝結(jié)(圖1-2(b))[2]。一般而言，如果過冷壁面親水，接觸角小于 90o，則冷凝液可以潤濕壁面，會在壁面上形成平滑的液膜，稱為膜狀凝結(jié)。蒸汽進一步的凝結(jié)發(fā)生在汽液界面上，釋放的潛熱需透過液膜傳遞給冷壁面。如果過冷壁面疏水，接觸角大于90o，則冷凝液不能很好的潤濕壁面。壁面上形成許多大小不一、隨機分布的液滴，液滴生長，合并，在重力作用下脫落，這個過程稱為珠狀凝結(jié)。因為珠狀凝結(jié)時，蒸汽不斷和冷壁面接觸，冷凝釋放的潛熱直接通過冷壁面?zhèn)鞒�，所以，珠狀凝結(jié)的換熱強度要遠高于膜狀凝結(jié)，差距甚至可達一個數(shù)量級。(a) 膜狀凝結(jié) (b) 珠狀凝結(jié)(a) Fimwise condensation (b) Dropwise condensation圖 1-2 常見的冷凝模式: (a) 膜狀凝結(jié), (b)珠狀凝結(jié)Fig.1-2 Common condensation modes: (a) fimwise condensation, (b) dropwise condensation鑒于珠狀凝結(jié)換熱強度遠高于膜狀凝結(jié)，利用疏水表面強化冷凝成為了最具前景的強化換熱方式之一。然而，蒸汽在過冷疏水表面凝結(jié)時，起初壁面上會形成一些離散的液滴，隨著時間推移，壁面上液滴不斷長大，同時數(shù)量也越來越多，相鄰液滴出現(xiàn)合并。如果大液滴能夠在連續(xù)液膜形成前脫落，珠狀凝結(jié)可以持續(xù)。如果壁面溫度過低，液滴生長速度過快，活化成核點更多，大液滴無法快速脫落，大液滴之間相互合并，形成連續(xù)的平滑液膜，冷凝便會進入膜狀凝結(jié)模式。與沸騰曲線類似，可以用冷凝曲線(圖 1-3)來描述不同過冷度下疏水表面冷凝形態(tài)的變化。初始階段疏水壁面發(fā)生珠狀凝結(jié)，隨著過冷度不斷增大，珠狀凝結(jié)過渡到膜狀凝結(jié)，在此期間，壁面的熱流密度急劇下降，換熱性能快速惡化。研究過冷疏- 2 -

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

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2 王世平,廖西江,鄧頌九,譚盈科;鋸齒形翅片管強化冷凝給熱的實驗研究及其準則方程[J];工程熱物理學報;1984年04期

本文編號：2714850