降压过程中闪蒸喷雾冷却不同润湿性表面实验研究

发布时间：2020-05-18 13:29

【摘要】：闪蒸喷雾冷却不同润湿性表面的实验研究,对于电子芯片冷却、航空器件冷却等有着实际意义。本文采用实验研究手段,利用化学氧化的方式制备了具有亲水性、疏水性的铜基表面。建立可视化试验系统对液滴在不同润湿性表面的降压汽化过程,以及闪蒸喷雾冷却不同润湿性表面时的实验现象和传热特性进行了实验研究。以去离子水为工质,本文研究了降压过程中液滴在亲水表面和疏水表面上汽化的实验现象,总结了环境压力、表面初始温度对液滴汽化过程形态变化的影响。实验结果显示:速降压环境下液滴汽化过程可以分为四个阶段:初始阶段、快速汽化阶段、固定接触线阶段和液滴快速收缩阶段。液滴在疏水表面的汽化时间明显长于亲水表面,并且疏水表面上液滴的快速收缩阶段占整个汽化周期的比例小于亲水表面。对于亲水表面,环境压力越低,表面温度越高,液滴汽化时间越短,定接触线汽化阶段所占整个汽化过程的比例越大。本文还研究了喷雾锥角随环境压力的变化,以及喷雾冷却不同润湿性表面的典型现象。结果显示:在喷射过程中,喷雾锥角存在一个最大值,并且随环境压力减小、工质温度升高,最大喷雾锥角有所增加。对低压环境下,喷雾冷却不同润湿性表面的可视化实验研究显示:喷雾至亲水表面和光滑铜表面的汽化过程分为四个阶段:液膜形成阶段、液膜剧烈汽化阶段、固定接触线的汽化阶段和液膜界面收缩阶段。喷雾液滴在亲水表面形成液膜的铺展速度大于光滑铜表面,并且在这两种表面上都出现气泡爆裂,气泡爆裂后光滑铜表面会有局部干涸现象。对于润湿性较差的疏水表面,基本不发生液膜铺展现象。继而本文研究了低压环境下喷雾冷却不同润湿性表面的传热特性。喷雾阶段热流密度迅速上升至最大值,继而逐渐下降。相同工况下,喷雾冷却亲水表面的热流密度较大,表面温度下降也更快。在汽化阶段,由于亲水表面温度较低,热流密度下降也更快。而疏水表面主要在喷雾阶段发生冷却,热流密度波动较大,表面温度略有下降。实验分析了环境压力、工质温度、表面初始温度对传热特性的影响。结果显示:在亲水表面和光滑铜表面,随环境压力的降低,喷雾阶段的最大热流密度并非一定增加。这是由于环境压力对传热特性的影响有两方面:1)环境压力降低,工质汽化越剧烈,其温度下降也越快,有助于提高换热性能;2)环境压力越低,雾化效果越好,工质对表面的冲击减弱,使换热性能有所下降。喷雾结束后的汽化阶段,随环境压力降低,汽化越剧烈,表面温度下降也越快。当工质温度降低、表面初始温度升高时,喷雾阶段热流密度越大,但对喷雾结束后汽化阶段的热流密度影响不大。而对于喷雾冷却疏水表面,由于液膜很难铺展,换热仅存在于喷雾阶段,液体冲击对换热性能影响显著,同时工质温度越低、表面初始温度越高时,喷雾阶段的热流密度越大。
【图文】：

示意图,模型,示意图,表面润湿性

.2 表面润湿性的介绍表面润湿性常用表面接触角进行描述，接触角是指在气-液-固三相交点所气-液界面的切线，此切线与固-液交界线之间的夹角为 θ，是润湿程度的量度 0＜θ＜90°时，表面呈亲水性。当 90＜θ＜180°时，表面呈疏水性。对于表面的静态接触角，根据杨氏公式（Young Equation）来描述。液滴面平衡时的接触角与界面张力之间的关系。γ = γ γ cos (其中：γ 为固-气的界面张力；γ 为固-液的界面张力；γ 为气-液的表面。对实际表面润湿特性的描述有 Wenzel[63]模型和 Cassie[64]模型。Wenzel 认糙表面固-液接触面之间的真实接触面积要大于表观接触面积，，使表面润湿增大，即接触角减小。Cassie 等认为液滴在表面上不能填满粗糙表面上尺寸的凹槽，所以液滴下方与固体表面间将有截留的空气存在，于是表观上的液触面其实由固体和气体共同组成，因此表面润湿性减小。Cassie 模型如图a）所示；亲水表面液滴附着的 Wenzel 模型示意图如图 2-1（b）所示。

接触角测量,润湿性,实验系统

α1= 38.1° α2= 129.51° α3=94.9°（a）亲水表面 (b)疏水表面 (c)光滑表面图 2-2 不同润湿性表面的接触角测量图2.4 实验系统介绍本文建立了低压环境下，液滴在不同润湿性表面汽化过程的可视化实验系统如图 2-3 所示。实验系统包括测试罐、真空系统、摄像系统和数据采集系统四个部分。
【学位授予单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB61

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