液滴冲击加热壁面沸腾现象特征分析

发布时间：2019-10-17 06:21

【摘要】：采用高速摄像仪对液滴冲击加热壁面过程进行实验观测,分析了不同实验流体的沸腾现象特征,探讨了中间射流及宝塔状气泡的形成机理。观测发现,壁温高于液体对应的Leidenfrost温度时水滴撞击后会出现暴沸现象,由于气泡夹带伴随强烈的核化作用,氯化钠溶液液滴撞击后可以观察到中间射流的产生,醇类液滴则发生完全反弹;壁温低于Leidenfrost温度时液滴在加热壁面会出现泡状沸腾现象,与半球形气泡不同,宝塔状气泡出现在液膜厚度较大的区域。此外定量考察了液滴在加热壁面完全反弹时的最大铺展因子,发现铺展因子仅受Weber数影响,与文献结果比较表明本研究得出的铺展因子经验公式可较好地预测液滴在加热壁面的铺展尺度。
【图文】：

液滴,膜态沸腾

λ錇雌釾荻ゲ可淞鳎嘈鄧撬鉷遣⑽炊员?塔状气泡的产生原因做进一步解释。关于膜态沸腾条件下液滴的铺展过程，液滴与加热壁面之间往往会形成一个约为30μm厚度的蒸气薄膜[9-10]，阻碍液滴与壁面的直接接触，因此壁面材料对液滴的铺展特性没有影响[11]。Karl等[12]的实验观测和数值计算结果表明液滴最大铺展因子随撞击速度升高或表面张力减小而增大，铺展因子ds*定义为液滴铺展直径ds与液滴直径ddrop的比值*ssdropddd=(2)式中，ds为铺展液膜与承载壁面之间的接触直径，如图1所示，而不是铺展液膜两侧边缘之间的距离。图1液滴铺展直径的定义Fig.1DropspreadingdiameterdefinitionNegeed等[13-14]实验考察了膜态沸腾条件下壁面粗糙度(0.04～10μm)和氧化层厚度(4～8μm)对液滴最大铺展因子的影响规律，结果显示液滴最大铺展因子随壁面过热度增大而减小，壁面粗糙度与氧化层厚度的比值在0.01～1范围内增加时最大铺展因子增大，壁面粗糙度与氧化层厚度的比值在1～2.5范围内增加时最大铺展因子减校Tran等[15]发现蒸气膜有一定的润滑作用，使液滴铺展得更广，得出了最大铺展因子正比于We2/5的结论，，在后来的研究中进一步将此结果修正为We3/10[16]。Chandra等[17]则指出最大铺展因子正比于We1/2，而Biance等[18]的结果为We1/4。Hatta等[19]针对We<50拟合出了最大铺展因子d*s-max的经验公式*0.74s-maxd=0.093We+1(3)由上述研究可以看出对膜态沸腾时液滴最大铺展因子的探索目前仍没有得出一致的结论，有必要对此继续进行深入的讨论。Cossali等[20]实验研究了膜态沸腾时液滴的二次雾化过程，指出液滴在光滑壁面雾化得更好，黏度减小时会

气泡图,气泡,液滴,饱和温度

[24]的研究，水的TL高于饱和温度150～210℃，而其他液体的TL高于饱和温度100～105℃。在本研究中，水、5.21%氯化钠溶液、丁醇和乙醇在常压下的饱和温度分别为100、100.8、117.5和78.4℃，因此图2～图4所示沸腾现象均发生在壁温高于TL的条件下。当壁温低于TL时，液滴撞击后会在加热壁面出现泡状沸腾现象，如图5所示，图中壁温为220℃，We为21～22。由于壁温较低，蒸气压不足以驱动液滴脱离壁面，因此整个铺展液滴都出现沸腾现象，大量的二次液滴从主液滴脱离，这个过程一直持续到泡状沸腾结束。图6为水滴泡状沸腾中出现的两种主要气泡，图6(a)为带有顶端射流的宝塔状气泡，图6(b)为不图6泡状沸腾中的两种气泡Fig.6Twotypesofbubblesinbubblyboiling图3氯化钠溶液液滴中间射流Fig.3Centraljetofsodiumchloridesolutiondrop图4丁醇液滴完全反弹Fig.4Fullreboundofbutanoldrop图5液滴泡状沸腾Fig.5Bubblyboiling
【作者单位】：大连理工大学能源与动力学院海洋能源利用与节能教育部重点实验室;大连理工大学土木工程学院;
【基金】：国家自然科学基金项目(51506023,51336001) 中国博士后科学基金项目(2015M571303) 中央高校基本科研业务费专项资金项目(DUT14RC(3)159)~~
【分类号】：O358

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