表面特性对微尺度冷凝的影响机理研究

发布时间：2017-12-16 16:21

  本文关键词：表面特性对微尺度冷凝的影响机理研究

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【摘要】：微尺度冷凝是微热管、芯片实验室、微燃料电池等微型器件中的关键热物理过程,该方向的研究具有重要的应用前景和学术价值,已成为工程热物理领域的一个重要研究课题。通过对冷凝表面做改性处理,可以使表面具有疏水性、梯度表面能等特性,这有利于强化冷凝换热。相对于常规尺度,在微尺度条件下,表面特性对冷凝过程的影响更为突出,因此,有必要深入研究表面特性对微尺度冷凝影响机理。目前,冷凝表面特性对微尺度冷凝影响机理的研究还相对较少,特别是表面浸润性及表面能梯度等对冷凝过程中气液两相流型的影响机理,以及微尺度下疏水壁面上冷凝液滴的运动特性还缺乏深入研究。为此本文开展了疏水微通道内水蒸汽及水-酒精混合蒸汽的流动冷凝过程可视化实验研究：基于VOF方法数值模拟研究了矩形微管道内冷凝液滴运动及合并特性；采用格子Boltzmann方法自由能模型模拟了表面能梯度表面的蒸汽冷凝及冷凝液滴自驱动式运动及合并。概括起来,本论文的主要研究内容及研究结论如下：(1)采用MEMS工艺加工了宽深比为3、水力直径为150μm、通道有效长度为56mm,通道壁面水接触角为96°的疏水硅微通道芯片。设计搭建了疏水微通道流动冷凝可视化实验台,观测了芯片水平放置下的冷凝流型演化,测试流动冷凝换热性能。实验研究结果表明：①在疏水微通道内,沿流动方向依次出现了珠状流、珠状-环状复合流、珠状-喷射复合流和珠状-泡状/弹状复合流等流型；珠状流及珠状.环状复合流区域内存在液滴合并及在蒸汽剪切作用下脱落现象。②随着通道入口蒸汽Reynolds数和冷凝液Weber数的增加,珠状-喷射复合流的位置向通道出口推移,且喷射频率增加。③沿着工质流动方向芯片壁面温度逐渐减低,在珠状-喷射复合流前温度下降缓慢,在珠状-喷射复合流后壁面温度下降明显；冷凝平均换热系数随Reynolds数的增加而增大。(2)以水-酒精混合蒸汽为实验工质,观测了混合蒸汽在疏水微通道内沿流动方向的流型分布及演化,分析了不同酒精质量分数条件下的冷凝流型特点。实验结果表明：①当混合蒸汽中水蒸汽占主导时,珠状凝结几乎占据整个气液两相区域内的通道壁面,通道内沿程依次出现珠状流、珠状-溪状复合流、珠状-环状复合流、珠状-喷射复合流和珠状-弹状/泡状复合流。②当酒精浓度逐渐升高至与水蒸汽相当时,喷射流后的珠状凝结消失而出现弹状/泡状流。③当混合蒸汽中酒精占主导时,珠状凝结基本消失,沿程依次出现环状-溪状复合流、环状流、喷射流和弹状/泡状流；纯酒精蒸汽下溪状流消失。④相同的Rev条件下,喷射流位置随混合蒸汽中酒精质量浓度的减小向通道出口推移；珠状-喷射复合流频率随混合蒸汽中酒精质量浓度的增加先升高后降低,当质量浓度为10%时,频率达到最大值,当浓度大于60%后,酒精质量浓度对喷射频率的影响明显减弱。⑤降低微通道表面自由能,有利于混合蒸汽在流动冷凝过程中形成珠状凝结。(3)为深入研究微尺度下疏水壁面上冷凝液滴的运动特性,本文基于VOF气/液相界面追踪方法建立了水蒸汽强制对流条件下的液滴运动及合并行为三维动力学模型,数值模拟了矩形微通道内的两个液滴在强制对流作用下的运动及合并过程。研究结果表明：①液滴尺寸相同及大液滴在前工况下出现液滴合并,大液滴在后工况中未出现合并。②由于接触角滞后现象,液滴向水蒸汽流动方向偏斜：合并发生后,液滴与壁面接触面积发生振荡并逐渐衰减至一个稳定值,且蒸汽流速越大,稳定后的接触面积越大。③水蒸汽速度越大,合并时间越短,合并距离则随入口水蒸汽流速先增大后减小。④前方液滴尺寸大于后方液滴尺寸时,前方液滴的滑动速度大于后方液滴的滑动速度,液滴间距逐渐增大。(4)利用格子Boltzmann方法自由能模型模拟了蒸汽在梯度表面能表面上冷凝过程中的液滴运动和合并过程。考察了固体表面能梯度和表面张力对液滴运动过程的影响,探讨了液滴在不同表面上变形、运动以及液滴运动过程内部流场变化,对比分析了均质表面和梯度表面上液滴合并过程的不同形貌。研究结果表明：①冷凝过程中,蒸汽在固体壁面高表面能侧凝结并铺展形成液膜,低表面能侧形成液滴。随着冷凝液不断累积,液滴不断长大、合并,并在不平衡表面张力的驱动下向表面能高的方向自运动。②高表面能侧的冷凝液滴接触角比低表面能侧的液滴接触角小,由于表面张力不平衡而在液滴内产生指向亲水侧的驱动力,当表面能梯度足够大时,液滴能克服接触角滞后的影响沿表面能增加方向运动。③梯度表面能表面上两液滴合并后向亲水侧偏移,凝结条件下运动液滴总是不断与前进方向上的液滴合并继而迅速移动。以上研究较系统地揭示了表面浸润性及壁面表面能梯度等因素对微尺度冷凝过程的影响机理,相关研究成果可为微型能质输运器件的设计与优化提供有力的理论支撑,同时,也是对微尺度冷凝理论的重要补充和完善。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124

【参考文献】

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本文编号：1296677