水平温差对蒸发液层内Marangoni对流失稳现象影响的实验研究

发布时间：2020-05-04 12:10

【摘要】：液层蒸发在自然界中十分常见,同时也广泛应用于诸多工业领域,如散热器热管、薄膜制备、蒸馏过程等。当蒸发引起的法向温度梯度大于临界值时液层会在表面张力梯度的驱动下形成Bénard-Marangoni(BM)对流。与此同时,由于自由面的弯曲与蒸发的不均匀使液面中心区域温度低于边缘,形成了切向的温度梯度驱动流体产生热毛细对流,当切向温度梯度超过临界值时,热毛细对流会进一步失稳形成位置固定的滚胞和传播的热流体波。BM对流与热毛细对流均可称为Marangoni对流,在蒸发过程中它们同时产生,相互耦合。然而现有对液层中Marangoni对流的研究很少考虑工质蒸发时BM对流与热毛细对流的相互关系。故本文以不同蒸发条件下厚度为0.76~1.68mm矩形液层内Marangoni对流为对象,主要进行了以下几方面的研究:(1)实验观察了不同环境温度下矩形液池(L×W=60×80 mm)内的Marangoni对流,找到了在不人为施加切向温度梯度时,由于蒸发冷却效应自发形成热流体波的临界条件。研究结果表明:液层自然蒸发形成的法向、切向温度梯度不仅会在液层中形成BM对流、热毛细对流和滚胞。当初始温度达到临界条件时,还可以自发形成倾斜传播的热流体波。即在自然蒸发液层中同时存在BM对流、热毛细对流、滚胞和热流体波的情况。液层越厚,越容易因蒸发冷却效应自发形成热流体波。(2)当液层厚度d1.27 mm时,BM涡胞与热毛细对流交界处附近存在大量波长较小的、在热毛细对流末端向BM对流漂移传播的涡胞结构。对此结构展开了研究,发现漂移的涡胞无量纲波长近似为1,与BM对流涡胞不同,漂移涡胞的波长在传播中几乎不发生改变,也没有穿透液层,通过实验证明了该结构仅存在于液层表面。它在热毛细对流末端产生,然后向液层中部平移,最后在热毛细对流与BM对流交界处消失。通过大量实验确定了不同厚度液层产生表面漂移涡胞的临界条件。(3)对难挥发的1 cSt、1.5 cSt硅油内液层失稳的现象进行了实验研究,确定了其失稳形成热流体波的临界条件,发现随着蒸发率的降低、Pr数的升高,液层内越难失稳形成热流体波。对0.65cSt硅油内BM涡胞、滚胞及热流体波结构及传播规律展开了讨论。
【图文】：

示意图,热管,示意图,工质

1 绪论1.1 引言矩形液层的蒸发过程在自然界中十分常见，同时也广泛应用于诸多工业领域散热器热管[1]、薄膜制备[2][3][4]、蒸馏过程[5]等。近年来，我国航天技术发展迅猛宫系列空间站投入运行，有条件更深入地研究微重力或零重力条件下各物理及规律，故而在空间实验中存在自由表面流体运动的主要驱动力——表面张题成为研究的热门。微重力或水平方向布置的热管结构如图 1.1 所示。当热管发端受热时工质吸收热量蒸发汽化，微弱压差使得蒸汽向另一端扩散，在冷工质蒸汽释放出热量冷凝为液态，，然后靠吸液芯的毛细作用使工质回流到蒸，但与此同时液层表面的 Marangoni 效应则将工质从温度较高的蒸发端拉向温低的冷凝端，阻碍了工质向蒸发端的回流，甚至会出现热端工质干涸、烧坏壁的现象。因此，很有必要对蒸发液层中 Marangoni 对流进行深入研究。

示意图,示意图,液层,自由表面

图 1.2 Marangoni 对流的分类Fig. 1.2 The classification of the Marangoni convection.如图 1.3(a)所示，对水平液层底部加热、上部制冷，假设在下层的热流体某处存在一个微小的扰动，流体质点向自由表面上迁移，那么在自由表面上就可以形成局部热块，其温度比周围流体的温度高，对于大多数的流体，其表面张力随温度的升高而降低，在表面张力的驱动下，热块区域流体向周围流动，同时带动底端高温流体质元向上补充，四周的流体相互挤压向下回流，从而使流动得以持续下去，液层中即失稳出现了 BM 对流结构。如图 1.3(b)所示，三维情况下 BM 对流呈现出涡胞形态，自排列组织形成六边形规则蜂窝状结构。对流溶质毛细对流法向温度梯度Marangoni对流(浓度引起)
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK12

【参考文献】