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工程热物理学报 2021年第10期42卷 2625-2632页

作者：叶爽李友荣吴春梅于佳佳重庆大学能源与动力工程学院低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室重庆400044

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度... 详细信息

为了了解液滴表面热流型演变规律及其对蒸发速率的影响,采用稳态蒸发实验研究了加热基底上乙醇和水滴的蒸发过程。液滴半径固定在R=2.5 mm,高度变化范围为0.4至1.4 mm。结果表明,随着液滴高度降低,乙醇液滴表面出现了中心不均匀的温度波动、热流体波及Bénard-Marangoni流胞,而水滴表面则没有明显温度波动。随着基底温度升高,液滴内部热对流增强;随着液滴高度降低,乙醇液滴蒸发速率先减小、后增大,而水滴蒸发速率则无明显变化。实验结果证实热对流对液滴蒸发速率具有明显促进作用。

关键词：附壁液滴蒸发热对流蒸发速率

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蒸气冷凝诱导附壁液滴热对流及其传热特性数值模拟研究

蒸气冷凝诱导附壁液滴热对流及其传热特性数值模拟研究

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作者：赵高松重庆大学

学位级别：硕士

附壁冷凝液滴广泛的存在于日常生活和工业生产等诸多领域中,是一个包含了流体流动、热量传递、相变以及接触线运动等问题的复杂多物理耦合过程。外部蒸气在低温基底表面上通过形成附壁冷凝液滴的方式可以显著提高热量传递效率,因此在暖... 详细信息

附壁冷凝液滴广泛的存在于日常生活和工业生产等诸多领域中,是一个包含了流体流动、热量传递、相变以及接触线运动等问题的复杂多物理耦合过程。外部蒸气在低温基底表面上通过形成附壁冷凝液滴的方式可以显著提高热量传递效率,因此在暖通空调系统、热管理系统、海水淡化以及水收集等工业设备中得到了大量的应用。目前针对附壁冷凝液滴的众多研究中,大多忽略液滴内部流动的影响,蒸气冷凝过程中相变及其诱导对流的耦合影响使能量传递方式变得复杂。本文以附壁冷凝液滴为研究对象,采用数值模拟的方法研究冷凝过程及其诱导冷凝液滴热对流耦合特性,探讨不同影响因素下冷凝速率的变化规律,明确不同冷凝阶段的传热模式。首先,明确了附壁冷凝液滴流动的特点以及不同传热模式下热量传递的变化规律,并讨论了不同模式对冷凝过程中冷凝液滴热对流耦合的影响情况,发现附壁冷凝液滴中Marangoni流动的存在使液滴温度分布特点发生改变,高温区域压缩为“薄壳状”分布在气液界面处,同时根据热量传递模式的特点,可以将附壁冷凝液滴过程划分为导热主导、过渡以及对流主导阶段,在不同主导阶段气液界面处局部冷凝速率的分布特点出现明显差异,但三相线区域的冷凝速率始终保持不变。详细探讨了冷凝液滴界面形状、基底温度和蒸气压比三种关键因素对蒸气冷凝过程中的影响机制,发现液滴接触半径的增加使界面处最大温度值增大,界面温度梯度增大流动增强,而接触角的增加使三相线处温度梯度增大进而流动加快,冷凝速率随着接触角的增加逐渐降低,对于高Pr数的冷凝液滴呈现出先减小而后增大的变化规律,其冷凝速率随接触半径呈现线性变化规律;基底温度的降低和压比的增大都使三相线处温度梯度增大,对流增强,冷凝速率增大。最后,综合分析冷凝过程中的传热特性,确定不同Pr数下的Nu数演变规律。结果发现,随着冷凝过程中冷凝液滴流动的增强,局部Nu数逐渐转变为“U”型分布特点,靠近三相线区域的Nu数远远大于其他区域,而中心区域由于受到向上回流的影响局部Nu数随着对流增强逐渐减小;蒸气冷凝过程与冷凝液滴的Pr数存在明显的关系,高Pr数显著降低冷凝过程中液滴Ma数和Ra数,冷凝速率随液滴Pr数的增大而减小,通过对蒸气冷凝过程中平均Nu数的计算,得到了相应的传热关联式。

关键词：附壁液滴蒸气冷凝热量传递对流数值模拟

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附壁氩液滴蒸发过程的分子动力学模拟

附壁氩液滴蒸发过程的分子动力学模拟

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作者：唐瑞重庆大学

学位级别：硕士

附壁液滴的蒸发过程广泛存在于自然界和工业生产中,例如,喷墨打印、农药的蒸发、喷雾冷却和“咖啡环”现象等。附壁液滴蒸发过程复杂而多变,基底润湿性对蒸发过程有着重要的影响。同时,蒸发时固-液界面附近存在一个卡皮查热阻,阻碍着固... 详细信息

附壁液滴的蒸发过程广泛存在于自然界和工业生产中,例如,喷墨打印、农药的蒸发、喷雾冷却和“咖啡环”现象等。附壁液滴蒸发过程复杂而多变,基底润湿性对蒸发过程有着重要的影响。同时,蒸发时固-液界面附近存在一个卡皮查热阻,阻碍着固-液界面的热量传递,因此,研究固-液界面的热传递过程对理解液滴蒸发的能量传输机理非常重要。本课题采用分子动力学模拟方法,研究附壁氩液滴的蒸发过程,讨论系统初始温度及固-液能量参数对蒸发过程的影响,揭示固-液界面热量传递机制。主要研究内容和结论如下:首先,分析了真空环境下的附壁液滴蒸发过程,结果表明,当气相压力趋于饱和时,液滴处于稳态蒸发阶段,此时,在气-液界面存在一个密度骤降区域,在固-液界面存在一个密度增大的吸附层,同时,在气-固界面也有一定数量的氩原子发生吸附。随着系统初始温度的升高,液滴处于稳态蒸发时的接触角减小,随着能量参数的增大,液滴接触角也逐渐减小。然后,在液滴稳态蒸发阶段,对基底进行加热,研究附壁液滴加速蒸发过程。结果表明,蒸发分为三个阶段,即液滴接触半径不变,接触角减小;接触角不变,接触半径减小;接触角和接触半径均减小,直至消失。当液滴完全蒸发完时,在基底表面形成一层吸附层。同时,在加速蒸发过程中,在固-液界面存在卡皮查热阻,阻碍热量的传递。在固-液界面吸附层附近,大部分热量在吸附层内沿固-液界面切向方向传递,只有少部分热量沿法向方向从固体直接传递到液滴内部。最后,研究了系统初始温度和固-液间的能量参数对加速蒸发过程的影响。结果发现,随着系统初始温度的升高,液滴蒸发时间减少。同时,对亲水基底,随着系统初始温度升高,热流量增大,温度跳跃减小。液滴的蒸发时间随固-液能量参数的增加而减小,固-液能量参数越大,固-液界面的接触面积越大,更有助于传热。同时,对于亲水基底,随着固-液能量参数的增加,卡皮查热阻减小,使得固-液界面间的传热更有效。

关键词：附壁液滴蒸发分子动力学模拟热流量接触角

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热表面上附壁燃料液滴蒸发特性实验

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第9期64卷 1597-1607页

作者：代尚沛贾旭宏田威丁思捷张晓宇汤婧朱新华中国民用航空飞行学院民航安全工程学院民机火灾科学与安全工程四川省重点实验室广汉618307

泄漏或溢出的液体燃料接触到热表面会引起火灾。为减少此类火灾事故,该文研究了燃料液滴在热表面上的蒸发模式和传热机制。利用玻璃恒温加热板模拟热表面实验,研究了乙酸、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、正庚烷和环己烷的热蒸发行为。采用红外... 详细信息

泄漏或溢出的液体燃料接触到热表面会引起火灾。为减少此类火灾事故,该文研究了燃料液滴在热表面上的蒸发模式和传热机制。利用玻璃恒温加热板模拟热表面实验,研究了乙酸、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、正庚烷和环己烷的热蒸发行为。采用红外成像技术和体积估计法分析实验数据,揭示了不同液滴表面的各种热流型和形成机理。乙酸和乙醇液滴表面观察到热流波(hydrothermal waves, HTWs)和Bénard-Marangoni(B-M)流胞;丙酮和乙酸乙酯液滴表面观察到环状热流型;正庚烷液滴表面没有发现明显热流型,而环己烷液滴表面发现了双涡轮热流型。发现分子间氢键的形成和断裂与HTWs和Marangoni流胞的形成有关,液滴的蒸发速率主要由饱和蒸气压决定。实验结果表明:热流型对蒸发速率具有明显促进作用。

关键词：液体燃料附壁液滴热流型热表面蒸发速率

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低压环境下典型液体燃料蒸发特性及燃烧特性研究

低压环境下典型液体燃料蒸发特性及燃烧特性研究

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作者：代尚沛中国民用航空飞行学院

学位级别：硕士

可燃液体泄漏到热表面并着火是飞机、船舶、汽车等交通工具中常见的火灾事故,严重威胁人员安全。这类热表面引发的可燃液体火灾不仅发生频率高,且灭火后存在复燃风险,一旦发生将带来灾难性后果。在高高原低压环境下,由于环境压力降低,... 详细信息

可燃液体泄漏到热表面并着火是飞机、船舶、汽车等交通工具中常见的火灾事故,严重威胁人员安全。这类热表面引发的可燃液体火灾不仅发生频率高,且灭火后存在复燃风险,一旦发生将带来灾难性后果。在高高原低压环境下,由于环境压力降低,可燃液体的闪点降低,蒸发驱动力加大,蒸发速率加快,液体内部热对流更加复杂,火灾危险性增加。为减少此类火灾及其危害,本研究探讨了燃料液滴蒸发行为、燃料油池蒸发行为和燃料油池燃烧行为,全面研究了从燃料受热蒸发到燃烧结束的整个过程。已有研究多集中于常压环境下液滴蒸发过程和油池燃烧行为,很少系统研究低压环境中燃料蒸发和燃烧特性。因此,本研究采用不同压力下的附壁液滴蒸发实验、油池热辐射蒸发实验和油池燃烧实验,系统分析液体种类、液体尺度、气相压力、辐射强度等因素对蒸发和燃烧特性的影响。主要研究内容及结果如下:(1)在广汉和康定两地利用玻璃恒温加热板模拟热表面实验研究了乙酸、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、正庚烷和环己烷的热蒸发行为。实验数据分析部分采用了红外成像技术和体积估计法,揭示了不同液滴表面的各种热流型以及形成机理。乙酸和乙醇液滴表面上观察到热流波(Hydrothermal waves,HTWs)和 Bénard-Marangoni(B-M)流胞;丙酮和乙酸乙酯上观察到了环状热流型;正庚烷上没有明显热流型,而在环己烷上发现了双涡轮热流型。首次发现分子间氢键键能的吸收和断裂与HTWs和Marangoni流胞的形成有关,液滴的蒸发速率主要由饱和蒸汽压决定。实验结果证实热流型的存在对蒸发速率具有明显促进作用。(2)利用圆形加热锥调节热辐射强度,压力气氛可控舱调节气相压力和氧浓度,研究了航空煤油、航空汽油和正庚烷三种燃料的油池蒸发过程。推导并验证了常压下油池蒸发速率模型,油池速率随压力变化的蒸发速率方程。在实验中,测量了蒸发持续时间、质量损失速率、液体温升变化以及蒸发蒸发层厚度等蒸发过程特征参数。基于质量扩散模型,得到燃料最大蒸发速率m"max=q"net/Lv,再利用最大蒸发速率除最小蒸发速率得蒸发速率相关特征参数,如比热容、沸点、汽化潜热和初始液体温度,再根据Raoult分压定律和Clausius-Clapeyron方程得到蒸发速率随压力的方程m"=S·1/(?)·P/(P-PA,sat)·exp(-φ2)/(1+erfφ)·(?),结合实验数据发现理论值和实验值绝对偏差在10%～50%,发现热辐射强度对燃料蒸发的影响大于其沸点。得到不同压力下的沸点情况,发现与已有报道数据的绝对偏差不超过7%。根据Pretrel提出的蒸发层厚度方程,得到三种燃料的蒸发层分别为 5±1.5 mm,4.7± 0.7 mm,4.5± 1.2 mm。(3)在高高原康定机场条件下自主搭建受限空间内油池火的试验平台。共选取三类典型液体燃料(航空煤油、航空汽油、正庚烷)进行燃烧试验,测量火焰高度、火焰温度和烟气成分等变化规律,研究了高高原受限空间内小尺度油池火行为。研究发现,在高高原地区,正庚烷稳定燃烧阶段的平均火焰高度可以通过模型L/D=k+0.254Q2/5/D描述,其中火焰高度与压力之间的关系式为L/D～P-2/9。三种燃料的火焰最高温度均超过600℃,而羽流轴线温升与火焰高度呈现-5/3的指数关系。产烟速率则表现出对环境压力的依赖性,其关系可表示为:v～P(-1/3)。这些研究结果揭示了在高原环境中三种燃料的燃烧行为,有助于进一步理解高原地区的油品储存和火灾预防。

关键词：附壁液滴油池低压环境蒸发行为火行为

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