微器件細(xì)小噴淋沖擊冷卻流場及形成的薄液膜特性研究.pdf

1、本文主要采用數(shù)值計算和分析的方法，結(jié)合實驗觀測，研究了液滴沖擊固體表面液膜的流動現(xiàn)象，以及液膜形狀的演化過程；研究了受細(xì)小噴淋冷卻液滴沖擊時，熱物體表面液膜的穩(wěn)定性。初步明確了影響液滴與液膜撞擊合并過程的諸因素，闡明了各種因素對受細(xì)小噴淋冷卻液滴沖擊的固體表面液膜穩(wěn)定性的影響，為噴淋液滴沖擊冷卻的工程應(yīng)用提供了一些理論依據(jù)。 論文包括以下主要結(jié)果： (1)采用高速攝影儀，在不同液膜厚度條件下，實驗觀測了不同沖擊速度的水滴

2、和乙醇液滴沖擊固體表面液膜后的流動現(xiàn)象，探討了液滴沖擊速度、液體粘性、表面張力、液膜厚度和液滴直徑等對液滴撞擊液膜后的流動現(xiàn)象的影響。實驗結(jié)果表明：液體的粘性主要影響液滴撞擊液膜后產(chǎn)生的水花的厚度及其穩(wěn)定性；液體的表面張力主要影響撞擊后產(chǎn)生的水花的高度，抑制飛濺的發(fā)生；液膜厚度增加時，液滴沖擊產(chǎn)生的水花高度略有降低，水花的壁厚增加；飛濺出來的液滴個數(shù)與沖擊液滴的直徑有關(guān)。 (2)采用VOF方法數(shù)值模擬了單個液滴撞擊固體表面液膜后

3、的流動過程，探討了液滴撞擊液膜形成水花的流動機(jī)理。液滴中液體持續(xù)沖擊進(jìn)入液膜，液膜內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生徑向高速流動的流體，沖擊周圍液膜中原先靜止的液體。在高速流動的流體和靜止流體撞擊位置，流動速度出現(xiàn)間斷，該速度間斷的位置不斷向液滴沖擊區(qū)域外擴(kuò)展。速度間斷兩側(cè)的流體的撞擊作用形成冠狀水花，水花形成后，由于繼續(xù)有流體流入，其高度逐步增加。 (3)數(shù)值分析了單個液滴沖擊固體表面液膜時，液滴沖擊的Weber數(shù)、Reynolds數(shù)以及液膜厚度等因

4、素對液滴撞擊固體表面液膜后出現(xiàn)的流動現(xiàn)象以及液膜形狀演化的影響，與實驗結(jié)果進(jìn)行的比較定性地驗證了計算結(jié)果的正確性。液滴沖擊對液膜狀態(tài)的影響表現(xiàn)為：液滴沖擊的Weber數(shù)和Reynolds數(shù)較大時，液滴撞擊液膜后，液膜狀態(tài)不穩(wěn)定；反之，液滴撞擊液膜后，液膜狀態(tài)穩(wěn)定。減小液滴直徑和沖擊速度，采用張力和粘性較大的液體，都有利于抑制水花和飛濺，也有利于液膜的穩(wěn)定。 (4)數(shù)值分析了兩個和三個液滴與固體表面液膜的撞擊合并過程，得到的主要結(jié)

5、論如下：液滴接連不斷地沖擊液膜時，上下液滴間距離較小時，在液膜上不易產(chǎn)生水花等流動現(xiàn)象，形成的液膜穩(wěn)定；液滴間距離較大時，在液膜上易產(chǎn)生水花等流動現(xiàn)象，形成的液膜不穩(wěn)定。液滴并排地同時沖擊液膜時，液滴間距離不同，液膜形態(tài)的演化基本相同，變動幅度受液滴間距離的影響。多個液滴同時撞擊液膜時，液膜形狀隨時間的演化，將隨著液滴數(shù)的增加趨于復(fù)雜。 (5)理論和數(shù)值分析了細(xì)小噴淋冷卻液滴沖擊對熱物體表面薄液膜的質(zhì)量和動量傳輸、液膜自身蒸發(fā)和

6、表面張力等因素對液膜穩(wěn)定性的影響。細(xì)小噴淋沖擊冷卻時選擇氣化潛熱較大、熱傳導(dǎo)系數(shù)小的液體作為冷卻液，可使熱物體表面形成的薄液膜較為穩(wěn)定。選擇表面張力較大的液體作為冷卻液，有利于在熱物體表面形成穩(wěn)定的薄液膜。恰當(dāng)?shù)膰娏芰髁糠植迹苁篃嵛矬w表面形成的薄液膜保持穩(wěn)定，冷卻性能最佳。流量過小，液膜在各種因素作用下，會產(chǎn)生破裂。流量過大，雖能形成穩(wěn)定的液膜，但形成的液膜厚度較大，冷卻性能并非最佳。噴淋液滴沖擊液膜產(chǎn)生的動壓力是導(dǎo)致液膜不穩(wěn)定的因素