冷凝問題的格子Boltzmann模擬、理論改進(jìn)及其電場強(qiáng)化的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、蒸汽冷凝的傳熱特性及其強(qiáng)化技術(shù)的研究一直都是國際傳熱界關(guān)注的熱點(diǎn)之一，已有的研究表明，蒸汽冷凝是一個(gè)復(fù)雜的多尺度相變傳熱問題，特別是滴狀冷凝，涉及到的長度尺度從納米量級(jí)(液滴成核半徑)延伸到毫米量級(jí)(液滴脫離半徑)，跨越了六個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，雖然對(duì)冷凝相變傳熱問題的研究已經(jīng)持續(xù)近百年的時(shí)間，但關(guān)于它的傳熱機(jī)理還有許多問題等待解決。本文將結(jié)合數(shù)值模擬、理論改進(jìn)及實(shí)驗(yàn)探索這三種手段對(duì)冷凝問題進(jìn)行全面的研究，數(shù)值模擬基于介觀格子Boltzman

2、n方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)，不僅模擬豎直冷壁面上的膜狀冷凝和滴狀冷凝過程，而且研究超疏水粗糙結(jié)構(gòu)表面上冷凝液滴合并后彈跳的現(xiàn)象；理論分析將從液滴成核半徑、液滴成核時(shí)的傳熱率、液滴成核密度及熱流密度這四個(gè)方面對(duì)滴狀冷凝的傳熱理論進(jìn)行改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)探索將對(duì)電場強(qiáng)化濕空氣冷凝的過程進(jìn)行可視化觀測，并對(duì)該過程中，液滴的成核進(jìn)行了理論分析，揭示了電場強(qiáng)化濕空氣冷凝的機(jī)理。具體的研究內(nèi)容包括：
　　1.采用

3、格子Boltzmann汽液相變模型模擬膜狀冷凝和滴狀冷凝過程。首先，利用新近發(fā)展的格子Boltzmann相變模型研究豎直冷壁面上的膜狀冷凝過程，通過將格子Boltzmann方法模擬膜狀冷凝得到的結(jié)果與Nusselt理論解和之前基于邊界層假設(shè)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不僅能評(píng)估格子Boltzmann汽液相變模型的準(zhǔn)確性和對(duì)于相變問題的適用性，而且能夠驗(yàn)證之前理論解的某些假設(shè)。格子Boltzmann方法的優(yōu)勢在于它能夠很方便的考慮膜狀冷凝過程中液

4、膜附近汽液界面上的剪切作用，不需要特殊處理，而Nusselt膜狀冷凝的理論解忽略了蒸汽對(duì)冷凝液膜傳熱及流動(dòng)的影響，汽液界面之間是不連續(xù)的，因此得到的結(jié)果誤差比較大；另一方面，基于邊界層假設(shè)的數(shù)值方法，在考慮汽液界面速度連續(xù)性時(shí)，求解過程比較復(fù)雜。隨后，本文利用格子Boltzmann方法的相變模型首次對(duì)滴狀冷凝過程中液滴成核、生長、變形及脫離等動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行研究，探討接觸角對(duì)這些過程的影響，并且分析這些過程中熱流密度的變化，發(fā)現(xiàn)液滴在成核時(shí)

5、熱流密度迅速上升，這是由于液滴成核伴隨著熱量的傳遞導(dǎo)致的。
　　2. LBM模擬超疏水表面上冷凝液滴合并后彈跳的現(xiàn)象。采用多松弛(multiplerelaxation time，MRT)LBM模型對(duì)超疏水粗糙結(jié)構(gòu)表面上液滴合并后的彈跳這一熱點(diǎn)問題進(jìn)行三維模擬，分析該過程的能量轉(zhuǎn)化機(jī)理，并考察該過程中液滴與壁面的相互作用，發(fā)現(xiàn)壁面對(duì)液滴有向上的反作用，將液滴流場中向下的速度方向轉(zhuǎn)換成向上，并最終使液滴彈跳，離開壁面。將模擬得到的液滴

6、彈跳速度與文獻(xiàn)中已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，首次探討了粗糙結(jié)構(gòu)的形貌對(duì)液滴合并及彈跳過程的影響，解釋了不同實(shí)驗(yàn)關(guān)于液滴彈跳速度的巨大差異。結(jié)果表明，粗糙結(jié)構(gòu)間距較小時(shí)，液滴與壁面之間的粘附力較大，從而降低了液滴的彈跳速度；粗糙結(jié)構(gòu)間距較大時(shí)，液滴容易陷入粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)，導(dǎo)致彈跳速度偏小。
　　3.滴狀冷凝傳熱理論的改進(jìn)。滴狀冷凝傳熱理論的要素包含兩個(gè)方面：單個(gè)液滴的傳熱及液滴大小分布規(guī)律。本文結(jié)合單個(gè)液滴的傳熱模型，考慮了疏水涂層的熱阻、

7、液滴自身導(dǎo)熱的熱阻、汽液界面的熱阻及液滴曲率引起的熱阻等因素的影響，從液滴成核過程中可用能(availability，也稱為“?”，exergy)變化的角度，通過熱力學(xué)分析，得到冷凝過程中液滴的成核半徑。第一次提出了液滴成核時(shí)傳熱率不為零，在傳統(tǒng)的滴狀冷凝傳熱理論中，液滴成核時(shí)傳熱率為零，因此從沒研究過該問題；而且在本文前面使用LBM模擬滴狀冷凝的過程中，發(fā)現(xiàn)液滴在成核時(shí)熱流密度迅速上升，這一結(jié)果也從另一角度驗(yàn)證了液滴成核時(shí)傳熱率的存在

8、。同時(shí)，在之前文獻(xiàn)中關(guān)于液滴成核密度預(yù)測公式的基礎(chǔ)上，建立了液滴成核密度與成核半徑之間的關(guān)系。隨后結(jié)合之前的滴狀冷凝傳熱理論，得到滴狀冷凝過程的熱流密度。并且，本文分析了壁面過冷度、接觸角、疏水涂層的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)及飽和蒸汽壓力等對(duì)液滴成核半徑、液滴成核時(shí)傳熱率、液滴的成核密度和冷凝過程中熱流密度的影響。
　　4.電場強(qiáng)化濕空氣冷凝的可視化研究及理論分析。通過可視化方法研究了不同電場強(qiáng)度下濕空氣的冷凝過程，分析了高壓電場對(duì)液滴成核

9、密度、液滴生長速率、冷凝液覆蓋率和液滴大小分布規(guī)律等的影響。結(jié)果表明，高壓電場能減小蒸汽發(fā)生相變的能量壁壘，從而增加液滴的成核密度，加速液滴的生長，提高冷凝液的覆蓋率，加劇蒸汽發(fā)生冷凝相變的過程，而且使小液滴的重新成核概率大大增加，導(dǎo)致小液滴數(shù)目所占的比例增大。并且，在前面液滴成核理論分析的基礎(chǔ)上，研究了電場作用下濕空氣冷凝過程中，液滴成核的能量壁壘和液滴的成核半徑隨外加電場強(qiáng)度的變化關(guān)系。結(jié)果表明當(dāng)電場強(qiáng)度增大時(shí)，液滴成核的能量壁壘減