界面效应影响冷凝传热过程的研究

论文摘要

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

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 应用背景
• 1.1.2 学科背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 蒸气冷凝过程概述
• 1.2.2 膜状冷凝
• 1.2.3 滴状冷凝传热
• 1.2.4 滴膜共存传热
• 1.2.5 固液接触现象和规律
• 1.2.6 表面技术强化传热
• 1.3 研究思路
• 1.4 主要内容
• 2 实验设计
• 2.1 竖壁面冷凝传热
• 2.1.1 实验流程及实验步骤
• 2.1.2 数据处理方法与系统稳定性分析
• 2.2 竖管实验原理和方法
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 表面制备工艺与表面性能表征
• 2.3.1 平板表面的处理方法
• 2.3.2 固体表面自由能的估算
• 2.3.3 涂层导热特性的实验测定
• 2.3.4 涂层厚度的实验测定
• 2.3.5 接触角及接触角滞后以及固体、液体表面能的测量
• 2.4 降膜流动实验装置
• 2.5 液滴实验装置及观测
• 3 界面效应影响蒸气冷凝传热的实验研究
• 3.1 纯蒸气在不同表面上的冷凝传热实验
• 3.1.1 实验结果与讨论
• 3.2 混合蒸气的冷凝传热实验
• 3.2.1 实验方法及原理
• 3.2.2 表面自由能差与冷凝形态关系
• 3.2.3 表面自由能差影响乙醇-水混合蒸气冷凝传热的实验结果
• 3.2.4 乙醇-水混合蒸气冷凝传热文献数据的表面自由能差影响分析
• 3.2.5 本文实验结果与文献数据比较
• 3.3 界面效应与冷凝传热关系实验研究小结
• 4 液滴脱落直径模型
• 4.1 脱落直径模型
• 4.2 模型计算结果
• 4.3 接触角滞后与液滴变形程度的关系
• 4.4 小结
• 5 固液界面效应影响竖壁沟流波动研究
• 5.1 竖壁沟流流动模型
• 5.2 实验结果与分析
• 5.2.1 沟流波动产生的原因
• 5.2.2 波动幅度分析
• 5.2.3 激光散斑照相分析沟流三维形态
• 5.3 小结
• 5.4 补充说明
• 6 滴状冷凝过程液滴的脉动运动规律及其分形分布模型中相邻两代液滴半径比参数
• 6.1 固液界面效应影响冷凝液滴的脉动运动方式
• 6.2 液滴分布实验结果与讨论
• 6.2.1 液滴分布曲线
• 6.2.2 液滴合并过程
• 6.3 小结
• 7 引入液固界面效应的滴状冷凝传热模型
• 7.1 传热模型的基本假设
• 7.2 传热模型
• 7.2.1 通过单个液滴的传热
• 7.2.2 液滴的分布函数
• 7.2.3 生长方式的临界半径的确定
• 7.2.4 冷凝传热计算
• 7.3 模型计算结果分析
• 7.4 模型计算值与实验值的比较
• 7.5 模型计算值与文献值的比较
• 7.5 小结
• 8 过渡状态冷凝传热模型
• 8.1 传热模型的基本假设
• 8.2 传热模型
• 8.2.1 滴状区冷凝表面上的平均热通量
• 8.2.2 通过沟流的传热
• 8.2.3 整个冷凝表面上传热计算
• 8.3 模型计算结果与实验测定结果分析
• 8.3.1 界面效应影响过渡状冷凝传热模型计算
• 8.3.2 模拟过渡状冷凝实验与模型计算
• 8.3.3 实际过渡状冷凝实验与模型计算
• 8.4 小结
• 9 利用界面效应原理设计强化表面及其实验
• 9.1 几类管型的强化机制
• 9.2 冷凝形态
• 9.3 结果与讨论
• 9.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 符号表
• 附录 B 博士论文创新点
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书