界面效應(yīng)影響冷凝傳熱過程的研究.pdf

1、界面效應(yīng)對蒸氣冷凝傳熱過程有顯著的影響，而對于該影響的機理及量化關(guān)系的研究卻比較缺乏。本文首先實驗研究了液固表面自由能差對蒸氣冷凝傳熱過程的影響。通過兩種方法改變液固表面自由能差：1.在相同的實驗條件下，以不同的處理表面改變冷凝壁面的表面自由能。2.相同的冷凝表面，改變操作條件或以混合蒸氣冷凝來改變冷凝液的表面自由能。通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)一定條件下，冷凝形態(tài)發(fā)生膜狀到過渡狀態(tài)和滴狀的變化，并相應(yīng)地伴隨著傳熱性能的變化。以界面效應(yīng)強化冷凝傳熱

2、，蒸氣冷凝傳熱系數(shù)隨表面自由能差變化的機理，對這一現(xiàn)象作了解釋，并得到了乙醇—水混合蒸氣的冷凝形態(tài)變化條件，闡述了乙醇—水混合蒸氣冷凝過程中，熱通量和傳熱系數(shù)與過冷度變化趨勢。 對于界面效應(yīng)影響冷凝液的運動過程和特征，本文研究了重力場中豎壁上液滴的脫落直徑和三相接觸線形態(tài)。實驗觀察到液滴的三相接觸線形狀并非是圓或橢圓形，而是非規(guī)則的形狀。根據(jù)液滴脫落時的形態(tài)，本文提出了接觸線形狀為兩個半橢圓的組合，并由重力和表面張力的平衡推導(dǎo)出

3、脫落直徑的數(shù)學(xué)表達式。并進行了實驗驗證和分析計算。結(jié)果表明，對于一定的液-固-氣系統(tǒng)，液滴的脫落直徑是由液體表面張力和前進角、后退角以及平衡接觸角共同決定的。實驗測定脫落直徑與模型計算結(jié)果比較吻合，表明接觸角越大或(及)接觸角滯后越小，則脫落直徑越小。 本文分析了豎壁溝流流動，基于最小能量原理，當壁面為存在接觸角滯后的非理想表面時，其控制方程的邊界條件與滯后接觸角有關(guān)，分析了流率存在波動時溝流厚度的波動原因和范圍。實驗研究了不同

4、液體在不同表面上的溝流流動，結(jié)果表明了溝流波動與界面效應(yīng)有關(guān)，溝流的實際厚度介于由滯后角限定的某一范圍內(nèi)，并且與溝流平均流率有關(guān)。若流率波動未超出由滯后接觸角及溝流基礎(chǔ)流率限定的范圍時，溝流只在厚度方向發(fā)生波動；若流率波動超出這一范圍，則溝流在寬度方向也開始伸縮。進而可得出，接觸角滯后越大，則溝流在壁面上越不易消失，即后退角越小的表面，可能出現(xiàn)溝流(過渡冷凝形態(tài))的可能性也越大。 本文實驗研究和分析了滴狀冷凝過程中，液滴的隨機運

5、動行為以及液滴分布的分形特征，發(fā)現(xiàn)液滴的運動和分布與接觸角及接觸角滯后有關(guān)。并分析得到液滴分形分布模型中相鄰兩代液滴半徑比與滯后接觸角的關(guān)系式，該式計算結(jié)果與實驗結(jié)果十分吻合。實驗結(jié)果表明，在存在接觸角滯后的表面上，液滴能以脈動形式長大，造成液滴分布呈離散分代形式，并且，液滴脈動行為還受誘導(dǎo)因素的影響，在較強誘導(dǎo)因素存在的冷凝過程，液滴分代分布明顯，反之，在較弱的誘導(dǎo)條件下，分代特征不明顯。 針對液固界面相互作用對滴狀冷凝傳熱的

6、影響，以Rose滴狀冷凝傳熱模型通過單個液滴的傳熱為基礎(chǔ)，重新考慮了接觸角和脫落直徑對冷凝傳熱的影響，對滴狀冷凝過程中液滴在空間序列上的構(gòu)象作了在時間序列上的重構(gòu)，建立了包含液固界面效應(yīng)的滴狀冷凝傳熱模型。模型計算結(jié)果表明，液固表面自由能差越大，接觸角滯后越小，則越有利于冷凝傳熱。 引入溝流級別的概念，來描繪過渡狀冷凝形態(tài)的形成特征，并在此基礎(chǔ)上，將過渡狀冷凝傳熱表示為通過滴狀區(qū)與溝流區(qū)上的傳熱之和，并分別計算其上的熱通量。其中

7、滴狀區(qū)傳熱模型采用本文建立的考慮界面效應(yīng)的傳熱模型；溝流區(qū)以在一定厚度液膜上的冷凝傳熱模型為基礎(chǔ)，并根據(jù)本文建立的溝流形態(tài)模型，求出液膜厚度與溝流區(qū)所占面積分率。本文還實驗設(shè)計了具有溝流形態(tài)的冷凝表面，并與模型作對比，模型計算與實驗值吻合，模型計算也與實際溝流冷凝形態(tài)的傳熱過程吻合。 設(shè)計了利用界面效應(yīng)改變冷凝液膜分布的功能表面，實驗研究了幾種傳熱強化管的蒸氣冷凝傳熱過程(管外冷凝)，其中強化機制包括場協(xié)同效應(yīng)、界面效應(yīng)、混合效