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界面效应影响冷凝传热过程的研究

兰忠  
【摘要】:界面效应对蒸气冷凝传热过程有显著的影响,而对于该影响的机理及量化关系的研究却比较缺乏。本文首先实验研究了液固表面自由能差对蒸气冷凝传热过程的影响。通过两种方法改变液固表面自由能差:(1)在相同的实验条件下,以不同的处理表面改变冷凝壁面的表面自由能;(2)相同的冷凝表面,改变操作条件或以混合蒸气冷凝来改变冷凝液的表面自由能。通过实验观察发现一定条件下,冷凝形态发生膜状到过渡状态和滴状的变化,并相应地伴随着传热性能的变化。以界面效应强化冷凝传热,蒸气冷凝传热系数随表面自由能差变化的机理,对这一现象作了解释,并得到了乙醇—水混合蒸气的冷凝形态变化条件,阐述了乙醇—水混合蒸气冷凝过程中,热通量和传热系数与过冷度变化趋势。表面自由能差小于14±1mJ·m~(-2)表现为膜状冷凝,表面自由能差大于21±1mJ·m~(-2)表现为滴状冷凝,表面自由能差介于二者之间为过渡区域,从一个新的角度探索了液相共溶混合蒸气的冷凝传热机制。 对于界面效应影响冷凝液的运动过程和特征,本文研究了重力场中竖壁上液滴的脱落直径和三相接触线形态。实验观察到液滴的三相接触线形状并非是圆或椭圆形,而是非规则的形状。根据液滴脱落时的形态,本文提出了接触线形状为两个半椭圆的组合,并由重力和表面张力的平衡推导出脱落直径的数学表达式。并进行了实验验证和分析计算。结果表明,对于一定的液-固-气系统,液滴的脱落直径是由液体表面张力和前进角、后退角以及平衡接触角共同决定的。实验测定脱落直径与模型计算结果比较吻合,表明接触角越大或(及)接触角滞后越小,则脱落直径越小。 本文分析了竖壁沟流流动,基于最小能量原理,当壁面为存在接触角滞后的非理想表面时,其控制方程的边界条件与滞后接触角有关,分析了流率存在波动时沟流厚度的波动原因和范围。实验研究了不同液体在不同表面上的沟流流动,结果表明了沟流波动与界面效应有关,沟流的实际厚度介于由滞后角限定的某一范围内,并且与沟流平均流率有关。若流率波动未超出由滞后接触角及沟流基础流率限定的范围时,沟流只在厚度方向发生波动;若流率波动超出这一范围,则沟流在宽度方向也开始伸缩。进而可得出,接触角滞后越大,则沟流在壁面上越不易消失,即后退角越小的表面,可能出现沟流(过渡冷凝形态)的可能性也越大。 本文实验研究和分析了滴状冷凝过程中,液滴的随机运动行为以及液滴分布的分形特征,发现液滴的运动和分布与接触角及接触角滞后有关。并分析得到液滴分形分布模型中相邻两代液滴半径比与滞后接触角的关系式,该式计算结果与实验结果十分吻合。实验结果表明,在存在接触角滞后的表面上,液滴能以脉动形式长大,造成液滴分布呈


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