液滴撞击超亲水表面薄液膜的波动特性和温度演化规律

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液滴撞击过程广泛存在于自然、日常生活等方面，并因其较强的质热交换能力而在喷雾冷却、农药喷洒、海水淡化和航空航天等相关的工业得到了十分广泛的应用。加深对液滴撞击过程的认识，对相关领域的技术发展与革新具有重要意义。本文采用实验和数值模拟的方法对液滴撞击液膜、极薄液膜时的水力学特征和温度演化规律做了深入的研究，发现了其中特有的规律。通过制备超亲水表面来实现壁面薄液膜环境，并分析了液滴在其上的铺展规律。利用高速摄像和红外热像仪等设备研究了液滴撞击受热壁面、液膜后的水力学特征和温度演化规律。发现，在低韦伯数下，在液滴撞击高温液膜的初始时刻后会在撞击中心和铺展外缘之间出现一个低温环状结构。从内至外温度呈先下降后上升的趋势，即撞击后的最低温出现在该处而并非存在于撞击中心。而对于液滴撞击高温壁面的情况来说，其温度分布规律在整个铺展过程中均保持从内至外逐渐上升的趋势，直至液滴温度升高至壁面温度。通过液滴撞击过冷壁面的实验研究了撞击韦伯数和初始液膜厚度的影响，发现，在低韦伯数下在热液膜上出现的低温环状结构演变为了高温环状结构。随着撞击韦伯数的增加，液滴从液膜上的铺展行为演变为形成冠状水花及水花飞溅现象。且高温环状结构随着韦伯数的增加逐渐消失并演变为中心高温区。随着液膜厚度的增加，液滴的铺展距离逐渐减小。在薄液膜下形成的高温环状结构随着液膜厚度增大逐渐向中心处靠拢，当厚度达到一定程度时环状结构在中心处融合并且消失。与高韦伯数下的温度分布规律结果相类似，液滴在撞击中心处形成高温区并保持至整个过程结束。通过这部分研究确定了产生环状温度分布的临界韦伯数以及初始液膜厚度的区间，实现了对于液滴撞击液膜后的温度分布的调控。同时，为了探究撞击后形成该环状温度分布的机理，采用CLSVOF方法对整个撞击过程进行了数值模拟。建立了二维/三维不可压缩液滴撞击液膜的数值模型，揭示了液膜内部流场和液滴分布规律。对不同条件下撞击后的温度分布进行了归纳。发现液滴撞击液膜后会在液膜内部形成一个涡旋。该涡旋的产生致使液滴阻滞，致使出现的逆方向的低温/高温分布。而随着撞击韦伯数的增大，撞击后的水力学行为由铺展变成了水花的形成，液膜内部涡旋逐渐减弱直至消失且液滴更易滞留于撞击中心处，因此环状温度分布消失。该现象的发现和机理的揭示对强化、调控撞击过程中的传热传质具有重要意义。

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作者
李昀;
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作者单位

大连理工大学;

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授予单位大连理工大学;
学科化学工程
授予学位硕士
导师姓名兰忠,马学虎;
年度 2018
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类造纸工业;物理化学（理论化学）、化学物理学;
关键词
液滴撞击; 亲水表面; 薄液膜; 波动特性; 温度;

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