曲面液膜在液滴撞擊下的動力學與換熱特徵研究

《曲面液膜在液滴撞擊下的動力學與換熱特徵研究》是依託大連理工大學,由沈勝強擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：曲面液膜在液滴撞擊下的動力學與換熱特徵研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：沈勝強

項目摘要

彎曲液膜在液滴衝擊作用下的流動、濺射、波動等動力學過程和傳熱傳質強化是微細傳遞現象的前沿性課題，是對表面衝擊相關研究的深化，對推動人類認識複雜傳遞現象、發展相關高新技術有重要價值。本申請項目基於對彎曲表面的液膜在單個和連續液滴撞擊下的界面形態、動量傳遞和能量傳遞等相關巨觀物理現象的觀察，探索研究對象的動力學、熱力學過程所呈現的尺度效應、界面效應、形狀效應，溫度、壓力、速度、濃度等非均勻力勢場的非均勻性及耦合效應，以及固-液-氣相相互作用所引起的液膜在彎曲表面上的微細流動與傳遞現象，分析各力勢對液膜巨觀與微觀行為、液膜穩定性和熱質傳遞過程的影響，探討彎曲表面上液膜衝擊發展過程、液膜的動態和穩定性特徵、相變傳熱機理以及彎曲表面上各力勢主導作用的交替，揭示液膜內部物理現象的本質並對其作出科學描述，為形成液膜傳熱傳質理論體系的建立做些必要的探索，並為相關工程技術發展提供基礎理論支持。

結題摘要

液滴碰撞過程常見於工業設備中，因其較強的熱質傳遞能力被廣泛套用在能源、動力、化工、冶金和航空航天等領域，對此過程的深入理解對相關工業設備中的關鍵技術進步起著決定性的作用。同時，液滴碰撞作為一種典型的自由表面流動問題，其物理過程也是學術界研究的焦點。國內外對液滴撞擊固體壁面進行了較全面的研究，但是對液滴撞擊潤濕壁面，尤其是撞擊傾斜和彎曲潤濕壁面的動力學特性還知之甚少。本項目採用實驗觀測、數值模擬結合理論分析的手段，從微細現象入手，對液滴碰撞潤濕曲面的特殊物理特徵進行了系統、深入的研究，取得了如下主要進展： 1. 建立了液滴撞擊下液膜流動的不可壓縮層流計算模型，採用耦合的水平集-流體體積法(CLSVOF)對液滴撞擊水平液膜進行了數值模擬，通過與大量實驗數據進行比較，驗證了此方法在液滴碰撞模擬中的有效性。由計算結果對頸部射流的形成機理進行了解釋，分析了氣相參數對水花形態及液滴融合過程的影響，並對相關作用的物理機制進行了探索。 2. 採用高速運動分析儀觀測了液滴撞擊傾斜潤濕壁面過程，分析了撞擊後出現的現象。通過大量可重複性實驗討論了飛濺臨界參數，並對前、後鋪展因子進行了分析。揭示了液滴前、後初始鋪展速度均隨撞擊角增大而升高的變化規律。在實驗觀測的基礎上，數值模擬了三維液滴在傾斜潤濕壁面上的鋪展變形過程，展現了液膜內的壓力積聚效應。 3. 實驗及數值研究了液滴撞擊潤濕圓柱壁面過程，分析了撞擊目標與液滴曲率比對撞擊現象的作用。總結出了液滴在潤濕圓柱壁面反彈、鋪展及水花的特徵參數變化規律，歸納出了液滴沿圓柱母線方向鋪展因子的預測模型及水花寬度的經驗公式。分析了液滴反彈臨界數隨曲率比的變化。依據能量守恆原理，理論分析了液滴反彈過程，獲得了預測反彈臨界Weber數下限的理論公式。 4. 實驗及數值研究了液滴撞擊潤濕球面過程，提出了液滴在潤濕球面鋪展因子的線性增長模型，確定了球面彎曲效應對飛濺臨界Weber數的影響：當曲率比小於0.224時，飛濺臨界Weber數幾乎不隨曲率比的減小而變化，潤濕球面的彎曲效應消失。 5. 根據液滴碰撞曲面液膜過程所得到的研究結果，進一步深入考察了大管束水平管降膜蒸發器傳熱性能、壓降、溫度損失的變化規律。獲得了蒸發器傳熱係數在水平和垂直方向的空間分布特徵，並分別討論了噴淋密度、蒸發溫度、換熱管內外溫差、蒸汽流速對總傳熱係數、壓降和溫度損失的影響。