液滴撞击低温金属壁面行为特性研究

发布时间：2017-11-08 09:05

  本文关键词：液滴撞击低温金属壁面行为特性研究

  更多相关文章： 液滴 撞击 圆柱壁面 结冰 浸润性

【摘要】：我国地形复杂且气候多样,寒冬季节中大部分地区都存在着高压输电线上的覆冰问题,严重的覆冰会给输电网路造成极大的安全隐患,威胁电网的安全运行,甚至引发严重的灾害事故,形成大面积断电直至电网崩溃,造成无法挽回的经济损失。近年来,输电线覆冰所引发的电网事故越来越多,也使众多学者越来越关注输电线的覆冰过程。然而高压输电线上的覆冰机理十分复杂,实际工程中大多是高能耗、高成本消除覆冰的方法,而输电线自发除冰等低能耗的除冰方式的研究受到越来越多的学者们的关注,进而从输电线上液滴的结冰机理出发探究液滴附着壁面的结冰行为。为深入探究液滴撞击壁面的结冰机理,揭示液滴在金属壁面上的结冰行为,本文对液滴撞击低温壁面的动态行为及结冰过程进行了可视化实验。通过对单液滴在不同初始工况下撞击不同壁面结构、不同壁面过冷度和不同壁面浸润性的金属圆柱壁面过程的动态行为及结冰过程进行了拍摄,得到了液滴撞击金属壁面铺展和结冰过程的动态特性。本文的主要研究内容和结论如下:(1)本文首先对液滴撞击不同曲率和过冷度的圆柱壁面进行了可视化实验,研究了液滴撞击速度、壁面过冷度及壁面曲率对单液滴撞击圆柱壁面铺展行为的影响。实验结果表明,初始撞击能越大的液滴撞击壁面时,液滴在圆柱面周向和轴向方向的铺展越好。随着圆柱曲面曲率的增加,周向上液膜铺展更好,轴向上液膜铺展更差。对于低温壁面上液滴的铺展过程,增加表面的过冷度,液滴的铺展更差,液滴振荡弛豫时间更短,表层液膜结冰速率加快。然而,低温壁面上液滴的铺展好于常温壁面上液滴的铺展,通过分析温度对液滴表面张力和黏性的影响规律,文中推论在铺展过程中,较低的壁面温度使得液滴底层快速形成了一层冰膜,改变了液固之间的界面能,使得液滴更易于铺展。在液滴回缩阶段,可明显观察到底层结冰的现象。(2)对液滴撞击不同浸润性壁面进行了可视化实验研究,分析了一系列不同浸润性壁面上液滴的铺展行为,对比了常温和低温壁面上液滴的动态行为。实验结果表明:壁面浸润性液滴撞击铺展和回缩行为有显著的影响,随着壁面表观接触角的增大,液滴沿圆柱面周向方向的铺展越差,达到最大铺展的时间越短,当壁面为超疏水壁面时,液滴发生反弹;在液滴铺展至最大后的回缩过程中,由于周向液膜和轴向液膜回缩速率不一致使得周向上液膜出现圆柱壁面上特有的法向对称的双峰液膜现象;低温壁面上,壁面浸润性对液滴回缩过程的振荡行为有显著的影响,随着壁面表观接触角增大,液滴的振荡行为越剧烈,持续时间越长,震荡周期越短。(3)为研究液滴结冰过程内部相变特点,实验中利用粒子图像测速技术(PIV)对液滴撞击壁面过程内部相变行为进行观测。针对水平壁面上不同撞击能的液滴撞击壁面过程进行了可视化研究,实验结果表明:液滴无初速度躺滴表面时,液滴自由液面和周围进行着热质交换,液滴内部形成明显的环流现象,在无外热源扰动的条件下,液滴内部的环流强度平稳持久;当壁面温度降为-10℃时,在液滴内部底层贴近壁面处的液膜结冰前会出现沿壁面法线轴对称的环流现象,即马兰格尼对流;当液滴具有一定初始撞击能时,液滴在壁面稳定无外形变化时,内部环流明显强于自然蒸发过程,壁面为低温壁面时,液滴内部结冰前,出现强烈的马兰格尼对流;随着撞击能的增大,液滴在壁面的接触面积变大,液滴半球高度越小,即在壁面法向上热阻减小,液滴内部环流增强,且环流持续时间增强,促进了结冰速率的加快;相对于疏水表面上液滴结冰的情况,亲水壁面上由于半球高度较小,其热阻也相对较小,更有利于结冰过程的进行。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM752

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