液滴在固体壁面上的膜态沸腾及凝固过程的相变研究

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当液滴碰撞到固体壁面上,由于壁面温度的不同会使得液滴状态发生改变。本文通过实验探究和数值模拟,研究了液滴在固体壁面上的相变,包括液-汽相变和液-固相变。主要集中在液滴在过热壁面上的膜态沸腾,即液滴由于自身蒸发而在液滴与固体壁面之间形成了一层蒸汽膜,使得液滴与壁面之间处于完全隔绝的状态,还探究了液滴在过冷壁面上形成的凝固。主要的研究成果包括:首先针对处于膜态沸腾的液滴进行探究,通过实验发现膜态沸腾液滴的初始尺寸会影响液滴产生爆炸或起飞两种不同的最终状态。这可能是由于液滴内部含有杂质造成的。因而我们对处于膜态沸腾的固液多组分液滴进行探究,发现悬浊液液滴在末期产生剧烈的爆炸,原因是液滴局部接触高温壁面,接触点附近的液体迅速沸腾导致液滴爆炸。液滴将要爆炸时的尺寸取决于液滴的初始尺寸以及所含颗粒的初始浓度。因此可以通过膜态沸腾液滴的初始条件来预测液滴的最终状态。其次探究了液液多组分乌佐三元液滴的膜态沸腾过程。由于各组分的挥发性和溶解性不同,因此液滴在膜态沸腾过程中产生了复杂的变化,包括初始时的互溶澄清状态;随着乙醇浓度减少造成油滴析出,液滴逐渐浑浊;随着油滴的不断合并,液滴顶部出现稳定的油盖,内部的油滴逐渐融入油盖,最终形成澄清的分离两相,随后油盖铺展整个液滴,形成油包水的结构;油膜包裹导致蒸汽层厚度突然减小,造成液滴与高温壁面之间局部接触,液滴内部水相迅速沸腾产生蒸汽泡,造成液滴爆炸。同时我们也探究了膜态沸腾液滴碰撞倾斜壁面时的动力学过程,发现液滴底部蒸汽层的存在使得液滴不受壁面摩擦力的影响,因此液滴的铺展特性主要取决于液滴垂直于壁面的速度分量,而液滴在壁面上的滑移距离主要取决于液滴平行于壁面的速度分量。最后针对液滴的凝固,我们发展了一套耦合流体体积函数法(VOF)和浸没边界法(IBM)的计算方法,通过结合固液密度差、表面张力以及重力,能够准确计算含有三相两移动接触面的凝固问题,例如液膜和液滴在低温固体壁面上的凝固。理论计算和实验结果均验证了模拟方法的准确性。另外通过实验研究发现,当环境介质改变后,液滴的凝固状态也发生了改变。通过数值模拟发现,这可能是由于高导热率的环境介质与液滴之间的存在明显的传热,这会造成液滴外部先冷却而形成冰壳,限制液滴内部水相的膨胀,导致液滴最终的凝固形状发生了改变。
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