探究界面效应影响冷凝传热过程的研究

《探究界面效应影响冷凝传热过程的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文界面效应影响冷凝传热过程的研究965528EfleetsofInterracialInteractiononCondensationHeatTransfer作者姓名：兰盅学科、专业：他堂王程学号：lQ2Q2Q垒2指导教师；旦堂虎教授完成日期：2QQ查=垒=l昼大连理工大学DalianUniversityofTechnology大连理工大学博士学位论文摘要界面效应对蒸气冷凝传熟过程有显著的影响，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

2、。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，并得到了乙醇一水混合蒸气的冷凝形态变化条件，阐述了乙醇一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

3、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，对于一定的液一固一气系统，液滴的脱落直径是

4、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

5、，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●瞄．。'界面

6、效应影响冷凝传热过程的研究离散分代形式，并且，液滴脉动行为还受诱导因素的影响，在较强诱导因素存在的冷凝过程，液滴分代分布明显，反之，在较弱的诱导条件下，分代特征不明显。针对液固界面相互作用对滴状冷凝传热的影响，以Rose滴状冷凝传热模型通过单个液滴的传热为基础，重新考虑了接触角和脱落直径对冷凝传热的影响，对滴状冷凝过程中液滴在空间序列上的构象作了在时间序列上的重构，建立了包含液固界面效应的滴状冷凝传热模型。模型计算结果表明液固表面自由能差越大、接触角滞后越小则越有利于冷凝传热。引入沟流级别的概念，来描绘过渡

7、状冷凝形态的形成特征，并在此基础上，将过渡状冷凝传热表示为通过滴状区与沟流区上的传热之和，并分别计算其上的热通量。其中滴状区传热模型采用本文建立的考虑界面效应的传热模型：沟流区以在一定厚度液膜上的冷凝传热模型为基础，并根据本文建立的沟流形态模型，求出液膜厚度与沟流区所占面积分率。本文还实验设计了具有沟流形态的冷凝表面，并与模型作对比，模型计算与实验值吻合，模型计算也与实际沟流冷凝形态的传热过程吻合。设计了利用界面效应改变冷凝液膜分布的功能表面，实验研究了几种传热强化管的蒸气冷凝传热过程(管外冷凝)，其中强化

8、机制包括场协同效应、界面效应、混合效应等。实验发现，根据场协同效应强化传热机制而设计的管型中，场协同效应管的管壁形状结构对蒸气冷凝液膜有较大扰动作用和强化传热效果。本文利用界面效应强化蒸气冷凝传热机理开发设计的强化管，主要考虑对冷凝液膜流动状态的改善，以强化冷凝侧的传热系数，具有更好的整体强化效果。并且由于该功能结构所占整个冷凝壁面面积较小，可以忽略其附加热阻，也就是可以增加其厚度达到合适的强度和寿命，故而更具应