蒸汽冷凝成核微观过程的实验研究

发布时间：2017-10-02 16:16

  本文关键词：蒸汽冷凝成核微观过程的实验研究

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【摘要】：冷凝过程广泛存在于自然、日常生活、工业生产等方面,作为凝结过程的第一步,冷凝成核有着重要意义,同时冷凝成核本身也有诸多重要应用,如天气控制、空气除尘、表面防雾等。对冷凝成核研究并加深对该过程的认识,将有助于相关领域的技术发展与革新。然而受到传统观测手段最小成像极限的限制,已有工作对于冷凝成核过程实验研究尚不充分。本文以冷凝液滴多尺度演化为背景,针对液滴生命周期的初始微观阶段,搭建了蒸汽冷凝光学检测实验平台,利用光纤光谱仪、大功率激光器等设备,观测了冷凝初期光波的散射、干涉等现象,考察发生在蒸汽体相以及冷凝界面上的成核微观行为。纯蒸汽冷凝过程中,水分子首先在近壁面附近气相团聚成核形成团簇,且团簇的生成量随过冷度增加而增加；同时,临近表面数百微米的空间内存在团簇层,团簇在垂直表面方向呈现一定分布,距离表面越远,冷凝团簇平均尺寸越小,密度越稀薄；分子团簇在远离低温壁面后会在一段时间内发生泯灭,时间越长,团簇泯灭比例越大,经过计算,一定过冷度下近壁面气相水分子团簇的寿命约为毫秒量级。对于表面膜状冷凝过程的初始阶段,表面反射率谱线特性既不同于光洁表面又明显区别于薄液膜存在时的理论计算谱线,说明冷凝初期蒸汽首先在表面凝聚形成不连续的液核,随着冷凝进程的发展,液核发生合并形成液膜,初始液膜形成厚度约为百纳米量级。同时对表面反射率进行连续捕捉可计算获得膜厚变化曲线,为动态薄膜厚度的连续在线测量提供一种良好的方法。对于含有悬浮微粒的湿空气,研究发现,在其进行绝热膨胀过程中,水蒸气以固体悬浮颗粒为凝结核心在体相发生非均相冷凝形成微液滴,结合激光Mie散射原理分析发现,微液滴平均尺寸与气相水分压、气体膨胀率呈现正相关；经计算,一定湿度的空气绝热膨胀非均相核化冷凝形成微米级液滴,为其成为一种高效、易于维护的除尘前处理技术提供理论依据。
【关键词】：冷凝核化 团簇 微液滴 光学检测
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ026.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-23
• 1.1 课题背景与意义9
• 1.2 冷凝液滴的多尺度及演化9-11
• 1.3 初始液滴形成机制与团簇成核物理模型11-13
• 1.4 均相核化速率理论13-15
• 1.5 气相悬浮微粒对液滴生长过程影响15-17
• 1.6 光的吸收、色散、散射及其在微观测量的应用17-21
• 1.6.1 光的吸收17-18
• 1.6.2 光的色散18-19
• 1.6.3 光的散射19-20
• 1.6.4 光学技术在微观测量的应用20-21
• 1.7 本文研究内容21-23
• 2 纯蒸汽冷凝团簇行为研究23-34
• 2.1 实验原理23-24
• 2.2 壁面冷凝团簇实验24-28
• 2.2.1 实验装置24-26
• 2.2.2 实验设计26-27
• 2.2.3 实验结果及讨论27-28
• 2.3 冷凝团簇射流散射实验28-33
• 2.3.1 实验装置28-30
• 2.3.2 实验设计30-31
• 2.3.3 实验结果及讨论31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 3 冷凝壁面反射干涉光谱分析34-44
• 3.1 反射干涉光谱测量原理及计算35-37
• 3.1.1 反射干涉光谱膜厚测量原理35-37
• 3.1.2 薄膜厚度计算37
• 3.2 实验装置及实验设计37-40
• 3.2.1 实验装置37-39
• 3.2.2 实验设计39-40
• 3.3 实验结果及讨论40-43
• 3.3.1 膜状冷凝初始阶段反射光谱分析40-41
• 3.3.2 膜状冷凝初始液膜厚度41-42
• 3.3.3 膜状冷凝薄液膜厚度增长规律42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 4 含凝结核气体体相冷凝现象44-56
• 4.1 Mie散射测量微粒直径原理44-47
• 4.2 实验装置及实验设计47-51
• 4.2.1 实验装置47
• 4.2.2 压力降低蒸汽非均相核化的实验证实47-51
• 4.2.3 气相微液滴粒径测量51
• 4.3 数据处理及分析51-55
• 4.3.1 气相微液滴尺度计算51-54
• 4.3.2 绝热膨胀冷凝应用于除尘前处理过程的探讨54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 结论56-57
• 参考文献57-62
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况62-63
• 致谢63-64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 兰忠;马学虎;王爱丽;彭本利;王四芳;朱霞;;低压蒸汽滴状冷凝过程中液滴生长特性[J];工程热物理学报;2012年01期

2 兰忠;徐威;朱霞;马学虎;;滴状冷凝过程壁面反射光谱的分子团聚模型分析[J];物理学报;2011年12期

3 马学虎;彭本利;兰忠;王爱丽;王四芳;张崇峰;白涛;;滴状冷凝传热的多尺度规划与最佳接触角[J];工程热物理学报;2011年02期

4 ;Self-aggregation of vapor-liquid phase transition[J];Progress in Natural Science;2003年06期

5 孙艳,孙锋,杨玉孝,谭玉山;一种新的膜厚测试技术[J];计量技术;2002年03期

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1 汪明哲;低压蒸汽滴状冷凝传热的实验研究[D];大连理工大学;2009年

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本文编号：960584