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液滴撞击不同润湿性高温铜壁面的leidenfrost效应分子模拟研究

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液滴撞击不同润湿性高温铜壁面的Leidenfrost效应分子模拟研究

作者：黄小诺华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

伴随着工业应用中温度的提高,材料的耐温性受到了极大的挑战,喷水减温作为一种常见的冷却形式广泛应用于各工业应用当中,包括海水淡化和制冷中降膜蒸发器传热管上的盐水液滴撞击、汽轮机叶片上的水滴撞击、淬火金属铸件和挤压件以及灭... 详细信息

伴随着工业应用中温度的提高,材料的耐温性受到了极大的挑战,喷水减温作为一种常见的冷却形式广泛应用于各工业应用当中,包括海水淡化和制冷中降膜蒸发器传热管上的盐水液滴撞击、汽轮机叶片上的水滴撞击、淬火金属铸件和挤压件以及灭火和电子冷却系统中的喷雾冷却。但其存在的莱登弗罗斯特(leidenfrost)现象却显著降低了冷却效率,目前的研究多集中在固着液滴的leidenfrost效应研究上,因此研究液滴撞击下的leidenfrost效应对提高喷水减温冷却效率具有重要意义。本文采用分子动力学模拟方法研究了液滴撞击不同润湿性高温铜壁面的leidenfrost效应,通过动能稳定性测试,定义微观下leidenfrost现象特征,分子动力学模拟结果表明,由原子势能决定的亲水表面比疏水表面具有较低的动态leidenfrost温度(LFP)。并且在不同表面温度下,存在一个触发leidenfrost现象的临界接触角,通过切线法对临界接触角进行测量和误差分析发现,临界接触角随表面温度的升高而增大。此外,本文还研究了不同结构表面以及速度对于动态leidenfrost效应的影响,模拟发现,气泡成核位点的增多能够激活leidenfrost现象,显著降低leidenfrost温度点,通过对不同速度液滴撞击壁面的动态特性分析发现,速度对于leidenfrost效应的影响在亲水表面和疏水表面截然相反,速度较大的液滴撞击亲水表面会抑制leidenfrost现象,撞击疏水表面反而会激活leidenfrost现象。本文的工作对于集中预测新型高温绝缘材料的leidenfrost温度和开发具有低临界接触角的工业应用表面具有极其重要的意义。

关键词： leidenfrost 润湿性液滴撞击分子动力学模拟原子势能

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圆环直径影响液滴混合传热模式的实验研究

工程热物理学报 2023年第9期44卷 2549-2559页

作者：曹春蕾马骁婧徐进良华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室北京102206 华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室北京102206

液滴在高温表面可能触发leidenfrost现象,引起传热恶化,现有方法采用微纳结构强化高温表面传热。本文提出主加热面leidenfrost蒸发及圆环表面核态传热混合传热模式,表明液滴蒸发强化与液滴在两个加热面的滞留时间占比有关,而滞留时间占... 详细信息

液滴在高温表面可能触发leidenfrost现象,引起传热恶化,现有方法采用微纳结构强化高温表面传热。本文提出主加热面leidenfrost蒸发及圆环表面核态传热混合传热模式,表明液滴蒸发强化与液滴在两个加热面的滞留时间占比有关,而滞留时间占比与圆环直径相关。为此,本文采用红外测温、高速摄影等综合光学测量方式,系统研究了3个圆环直径对液滴蒸发的影响。实验采用水工质,圆环内径分别为28.0 mm,18.0 mm及13.0 mm。发现相对于28.0 mm直径圆环,13.0 mm直径圆环不仅将液滴与圆环接触时间占比提高了3倍,而且提高了液滴在主加热面的运动速度,从而使液滴蒸发速率提高了171%。本文分析了采用主加热面+圆环混合传热模式强化液滴蒸发的机理,为强化高温表面传热技术提供了新的思路。

关键词： leidenfrost 液滴蒸发爆炸沸腾液滴动力学热量传递

Interfacial Strategies for Smart Slippery Surfaces

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Journal of Bionic Engineering 2020年第4期17卷 633-643页

作者： Glen McHale Rodrigo Ledesma-Aguilar Gary George Wells Smart Materials&Surfaces Laboratory Faculty of Engineering and EnvironmentNorthumbria UniversityNewcastle upon TyneNE18STUK

The problem of contact line pinning on surfaces is pervasive and contributes to problems from ring stains to ice formation.Here we provide a single conceptual framework for interfacial strategies encompassing five strategies for modifying the solid-liquid interface to remove pinning and increase droplet mobility.Three biomimetic strategies are included,(i)reducing the liquid-solid interfacial area inspired by the Lotus effect,(ii)converting the liquid-solid contact to a solid-solid contact by the formation of a liquid marble inspired by how galling aphids remove honeydew,and(iii)converting the liquid-solid interface to a liquid-lubricant contact by the use of a lubricant impregnated surface inspired by the Nepenthes Pitcher plant.Two further strategies are,(iv)converting the liquid-solid contact to a liquid-vapor contact by using the leidenfrost effect,and(v)converting the contact to a liquid-liquid-like contact using slippery omniphobic covalent attachment of a liquid-like coating(SOCAL).Using these approaches,we explain how surfaces can be designed to have smart functionality whilst retaining the mobility of contact lines and droplets.Furthermore,we show how droplets can evaporate at constant contact angle,be positioned using a Cheerios effect,transported by boundary reconfiguration in an energy invariant manner,and drive the rotation of solid components in a leidenfrost heat engine.Our conceptual framework enables the rationale design of surfaces which are slippery to liquids and is relevant to a diverse range of applications.

关键词： superhydrophobicity SLIPS liquid marbles leidenfrost SOCAL

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液氮滴撞击壁面相变行为的数值研究

物理学报 2019年第24期68卷 195-209页

作者：赵可佘阳梓蒋彦龙秦静张振豪南京航空航天大学飞行器环境控制与生命保障工业和信息化部重点实验室

采用Level Set-VOF方法建立单液氮滴撞击壁面的数值模型,探索壁面润湿性(30°-150°)、撞击速度(0.1和1.6 m/s)及壁面温度(300-500 K)对液滴撞壁演化过程中相变行为的影响,并理论推导了气膜生长数学模型.结果表明:增强壁面润湿性、提高... 详细信息

采用Level Set-VOF方法建立单液氮滴撞击壁面的数值模型,探索壁面润湿性(30°-150°)、撞击速度(0.1和1.6 m/s)及壁面温度(300-500 K)对液滴撞壁演化过程中相变行为的影响,并理论推导了气膜生长数学模型.结果表明:增强壁面润湿性、提高撞击速度有利于液滴沿径向铺展,从而增大了换热面积并降低热阻,使换热性能得到显著提升;提高壁面温度增大了换热温差,热流密度随之上升;三相接触线处热阻较小导致边缘处热流密度高于中心处,不同润湿壁面上热流分布的差异性因初始速度的增大而缩小,呈现明显的速度效应;在膜沸腾区,传热过程主要集中在撞击初期,气膜是主要换热热阻;基于质量守恒和能量守恒建立气膜生长数值模型,模型预测结果与本文模拟结果和其他研究结果非常吻合.

关键词： leidenfrost 液氮液滴撞击 Level Set模拟

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周期性爆沸诱导的液滴自驱动

物理学报 2021年第24期70卷 218-230页

作者：曹春蕾徐进良叶文力华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室北京102206 华北电力大学电站能量传递转化与系统教育部重点实验室北京102206

将液滴沉积在高于leidenfrost温度的表面上,液滴将悬浮在自身的蒸汽垫上,这使液滴具有惊人的移动性,通常通过构造不对称的微纳结构表面对液滴下方的蒸汽流进行校正,实现液滴自驱动.但液滴运动方向和液滴输运速度(10-40 cm/s)具有局限性... 详细信息

将液滴沉积在高于leidenfrost温度的表面上,液滴将悬浮在自身的蒸汽垫上,这使液滴具有惊人的移动性,通常通过构造不对称的微纳结构表面对液滴下方的蒸汽流进行校正,实现液滴自驱动.但液滴运动方向和液滴输运速度(10-40 cm/s)具有局限性.本实验构造leidenfrost传热面和撞击面,leidenfrost传热面用于悬浮液滴并为其提供足够的能量,当Leidenfrsot液滴(燃料)与撞击面(点火器)接触时,粗糙环的大量微/纳米腔不仅会向液滴产生额外的辐射热量,而且还会提供成核点以在约10 ms内触发爆炸沸腾.利用周期性爆炸沸腾产生的脉冲推力F_(th)实现液滴自驱动.液滴运动初始阶段由于惯性力F_(i)占主导,液滴撞击多为镜面反射,液滴运动轨迹较为混乱,随着液滴直径减小,脉冲推力F_(th)占主导,液滴轨迹通过leidenfrost传热面中心.同时液滴输运速度高达68.91 cm/s,这是在以往微纳结构表面液滴自驱动从未实现的.这一发现为高温下操纵液滴提供了新的思路,有望在微流控和传热等两相系统中得到重要的应用.

关键词： leidenfrost 液滴动力学爆炸沸腾热量传递

leidenfrost模型的修正及工件淬火时的热传导问题

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昆明工学院学报 1992年第2期17卷 69-73页

作者：陈君若王洪纲昆明工学院基础部昆明工学院建工及力学系

对传统的沸腾换热曲线和leidenfrost理想过渡模型按照淬火实际进行了修正;考虑了过冷对沸腾换热及leidenfrost过渡的影响。在此基础上给出了以水为淬火介质时边界条件的数学模型,将碳钢淬火时发生的马氏体相变视作有一个内热源作用在金... 详细信息

对传统的沸腾换热曲线和leidenfrost理想过渡模型按照淬火实际进行了修正;考虑了过冷对沸腾换热及leidenfrost过渡的影响。在此基础上给出了以水为淬火介质时边界条件的数学模型,将碳钢淬火时发生的马氏体相变视作有一个内热源作用在金属物体内部,给出了包含相变条件的热传导控制方程,所涉及的物性系数均为温度的非线性函数,对45钢零件进行了瞬态温度场的计算,得出了一些结论。

关键词： leidenfrost 工件淬火热传导

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运动液滴的leidenfrost现象

东南大学学报(自然科学版) 1985年第3期 83-88页

作者：施明恒南京工学院动力工程系讲师

对运动液滴与加热表面之间相互作用的分析表明,即使在表面温度大大超过经典的 leidenfrost 温度时,液滴仍会与表面发生直接接触。leidenfrost 温度取决于不同的液体—表面组合。提出了计算该温度的一个近似方法。

关键词：液滴颗粒加热面 leidenfrost 热边界层温度边界层

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液滴撞击加热壁面的实验研究

液滴撞击加热壁面的实验研究

作者：荣松天津大学

学位级别：硕士

液滴撞击现象广泛见于自然界及工业应用中,减少撞击过程中液滴在壁面上的停留时间在防结冰、自清洁和防腐蚀等应用中至关重要,并且目前对于液滴撞击加热壁面的膜态沸腾阶段的认识尚不完全。本文通过高速相机拍摄液滴撞击加热壁面的过程... 详细信息

液滴撞击现象广泛见于自然界及工业应用中,减少撞击过程中液滴在壁面上的停留时间在防结冰、自清洁和防腐蚀等应用中至关重要,并且目前对于液滴撞击加热壁面的膜态沸腾阶段的认识尚不完全。本文通过高速相机拍摄液滴撞击加热壁面的过程,主要关注传热对液滴停留时间的影响及膜态沸腾阶段液滴底部产生多次界面振荡的现象。本文首先确定了一种名为bouncing-with-spray的液滴弹起模式,其相比于传统的retraction-bouncing模式,液滴在壁面的停留时间大大减少。与采用其他手段减少液滴在壁面上的停留时间情况相比,由加热造成液滴停留时间减少的方式更加可靠。本文揭示了液滴在壁面上停留时间减少的机理是由于液膜中蒸汽泡破碎、液膜内孔洞的形成及液膜从孔洞处回缩而造成的,并且提出了膜态沸腾阶段从bouncing-with-spray模式到retraction-bouncing模式过渡的幂次定律,该定律能够很好地与本文的实验数据相吻合,另外该理论模型也能够解释过渡沸腾阶段两种弹起模式的过渡边界的变化规律。此外,本文对膜态沸腾阶段的液滴leidenfrost反弹现象进行了更详尽的研究。一般来说,在膜态沸腾阶段,液滴在回缩过程中,由于底部蒸汽膜的存在,液滴的底部并不会接触壁面。本文研究发现,在膜态沸腾阶段的更高的壁面温度下,液滴在回缩的过程中,其底部存在多次界面振荡的情形,并且随着撞击速度的增大,液滴底部与壁面之间存在一次界面振荡的情形,这与常见的leidenfrost液滴反弹过程中液滴底部缓慢离开壁面形成明显差别。本文给出了在不同撞击参数下的相图并确定了液滴底部发生多次界面振荡的参数范围。本文对液滴底部多次界面振荡产生的机理进行了解释,认为液滴底部中心在蒸汽膜的作用下产生的凹坑的深度决定了液滴底部能否形成多次界面振荡。最后本文对液滴底部发生多次界面振荡时的振荡时间间隔进行了分析,发现振荡时间间隔会随着振荡次数的增加而不断减小,并受液滴直径及表面张力的影响。随着液滴直径的减小而整体减小,随着表面张力的减小而整体增大。

关键词：液滴撞击 leidenfrost 停留时间蒸汽泡界面振荡

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液滴在液镓表面汽化过程实验研究

液滴在液镓表面汽化过程实验研究

作者：赵路通华北电力大学

学位级别：硕士

固着液滴的汽化现象在生活与工程应用中都广泛存在,对固着液滴汽化过程也已有大量研究,然而现有研究都在刚性固体基底表面展开,在柔性液态金属表面的液滴汽化研究还鲜有报道,本文采用实验研究与理论分析相结合的方法,对液滴在液镓表面... 详细信息

固着液滴的汽化现象在生活与工程应用中都广泛存在,对固着液滴汽化过程也已有大量研究,然而现有研究都在刚性固体基底表面展开,在柔性液态金属表面的液滴汽化研究还鲜有报道,本文采用实验研究与理论分析相结合的方法,对液滴在液镓表面的汽化过程进行了深入研究,研究成果有助于认识液滴在柔性液态金属表面汽化的传热传质规律。由于液镓在大气环境中会立即与氧气反应形成一层氧化膜,所以实验中采用两种方法去除氧化膜的影响,一是采用盐酸蒸汽处理,二是将液镓放入氧浓度小于1ppm的手套箱内,实验发现在手套箱中的液镓最接近液体的性质。本文使用正己烷液滴和去离子水滴作为工质,研究了其在液镓表面的蒸发过程,实验发现正己烷液滴在液镓表面蒸发过程大都遵循恒接触角蒸发模式,去离子水滴的蒸发主要遵循恒接触线的蒸发模式。并且发现在相同工况下,正己烷液滴和去离子水滴都是在手套箱内液镓表面的铺展直径最大蒸发时间最短,在大气环境液镓表面的铺展直径最小,蒸发时间最长。采用现有固着液滴蒸发模型计算了液滴的蒸发时间,以及液滴形状随时间的变化,将计算结果与试验结果对比,发现在手套箱内液镓表面的计算结果与实验结果相差最大,因为现有模型都是基于刚性表面提出的,而在手套箱中的液镓表面更接近液体性质,柔性的表面会促进液滴的蒸发。本文还进行了正戊烷和HFE7100液滴在水、液镓和铝板表面的leidenfrost现象实验研究,发现两种工质均是在大气环境液镓表面的leidenfrost温度要高于手套箱液镓表面的leidenfrost温度,并且两种工质均是在水表面的leidenfrost温度最低,在铝板表面的leidenfrost温度最高。采用四种液滴leidenfrost温度预测模型对正戊烷液滴在水面、液镓表面、铝板表面的leidenfrost温度进行计算,将计算结果与试验结果进行比较,结果显示过热极限模型的计算结果与正戊烷液滴在液镓表面的实验结果最为吻合;泰勒水动力模型的计算结果与正戊烷液滴在水表面的实验结果最为吻合;热力学均相成核温度预测模型的计算结果与正戊烷液滴在铝板表面实验结果最为吻合。最后,对液滴发生Leidnefrost现象时的形态建立理论模型,采用Matlab软件进行计算,计算获得的液滴形态与试验结果吻合较好。

关键词：液滴蒸发 leidenfrost 传质扩散