过冷疏水表面冷凝和结冰的格子Boltzmann模拟

发布时间：2020-06-15 18:58

【摘要】：冷凝和结冰是复杂的自然现象,同时又与工业生产和日常生活息息相关。强化冷凝及防冰一直以来都是国内外学者研究的热点。近些年,疏水表面在冷凝强化和防冰等领域展现出巨大的应用前景,但疏水表面上的冷凝和结冰仍有诸多问题等待解决。本文将采用数值模拟的方法,对不同过冷度下疏水表面的相变情况进行一系列的研究,内容包括在不同壁面温度下疏水表面冷凝形态变化及高过冷度下疏水表面汽-液-固三相变化。具体如下:1.采用格子Boltzmann方法模拟研究了水平朝下疏水表面在不同过冷度下的冷凝形态及传热性能。本文探讨了珠状凝结时单个液滴的动态行为,统计分析了液滴的脱离直径、脱离周期、成核时间及其影响因素。结合珠状凝结和膜状凝结时液滴或液膜附近的温度场分析了局部热流密度分布,并首次通过模拟手段得到了过冷疏水表面从自然对流区经珠状凝结区、过渡状凝结区直至膜状凝结区的完整冷凝曲线(热流密度与壁面过冷度的关系)。结果表明,在定壁温条件下,冷凝形态转变过程中,冷凝面的时均热流密度下滑;在定热流条件下,冷凝形态转变过程中,壁面温度出现阶跃性降低。最后,本文还通过数值模拟验证了高过冷度下膜状凝结时液滴脱离点的位置与Taylor不稳定性的关系。2.建立了模拟汽-液-固三相变化的格子Boltzmann模型。本文在Gong-Cheng汽液相变模型的基础上,结合基于焓研究固液相变的方法,建立了描述汽-液-固三相变化的格子Boltzmann模型。以伪势模型为基础,结合Gong和Cheng提出的与汽液相变相关的源项,完成了汽液相变的模拟。同时,在液态区间,计算区域内各点的焓值并以此作为固液相变的判据,采用沉浸移动边界格式追踪固液界面,实现固液相变的模拟计算。3.基于本文提出的汽-液-固三相变化格子Boltzmann模型,研究了三维空间内高过冷度点源冷却疏水表面上的汽-液-固三相变化。结果显示,在疏水竖直表面的冷却点源处会快速形成一个冷凝液滴,液滴贴近壁面部分凝固成冰。初始阶段,液滴和冰都快速生长,热流密度较高。随着液滴和冰的不断长大,冰表面的液膜在重力驱使下向下流动,下游区域冰的生长加快,而上游区域出现冰局部熔化。液滴向下蠕动变形,最终形成脱离液滴。液滴的动态行为直接关系着冰的生长及壁面的传热性能。此外,本文还讨论了壁面倾斜角、壁面温度以及润湿性对冷凝和结冰过程的影响。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：

工业界,自然界,飞机结冰,冷凝器

(b) 冷凝器 (c) 飞机结冰(b) Condenser (c) Aircraft freezing图 1-1 自然界(a)及工业界(b, c)中常见的冷凝及结冰现象Fig.1-1 Condensation and freezing in nature (a) and industry (b, c)- 1 -

珠状凝结,膜状凝结,冷凝模式

常见的冷凝模式有膜状凝结(图 1-2(a))和珠状凝结(图1-2(b))[2]。一般而言，如果过冷壁面亲水，接触角小于 90o，则冷凝液可以润湿壁面，会在壁面上形成平滑的液膜，称为膜状凝结。蒸汽进一步的凝结发生在汽液界面上，释放的潜热需透过液膜传递给冷壁面。如果过冷壁面疏水，接触角大于90o，则冷凝液不能很好的润湿壁面。壁面上形成许多大小不一、随机分布的液滴，液滴生长，合并，在重力作用下脱落，这个过程称为珠状凝结。因为珠状凝结时，蒸汽不断和冷壁面接触，冷凝释放的潜热直接通过冷壁面传出，所以，珠状凝结的换热强度要远高于膜状凝结，差距甚至可达一个数量级。(a) 膜状凝结 (b) 珠状凝结(a) Fimwise condensation (b) Dropwise condensation图 1-2 常见的冷凝模式: (a) 膜状凝结, (b)珠状凝结Fig.1-2 Common condensation modes: (a) fimwise condensation, (b) dropwise condensation鉴于珠状凝结换热强度远高于膜状凝结，利用疏水表面强化冷凝成为了最具前景的强化换热方式之一。然而，蒸汽在过冷疏水表面凝结时，起初壁面上会形成一些离散的液滴，随着时间推移，壁面上液滴不断长大，同时数量也越来越多，相邻液滴出现合并。如果大液滴能够在连续液膜形成前脱落，珠状凝结可以持续。如果壁面温度过低，液滴生长速度过快，活化成核点更多，大液滴无法快速脱落，大液滴之间相互合并，形成连续的平滑液膜，冷凝便会进入膜状凝结模式。与沸腾曲线类似，可以用冷凝曲线(图 1-3)来描述不同过冷度下疏水表面冷凝形态的变化。初始阶段疏水壁面发生珠状凝结，随着过冷度不断增大，珠状凝结过渡到膜状凝结，在此期间，壁面的热流密度急剧下降，换热性能快速恶化。研究过冷疏- 2 -

【参考文献】