曲面液膜在液滴撞击下的动力学与换热特征研究

弯曲液膜在液滴冲击作用下的流动、溅射、波动等动力学过程和传热传质强化是微细传递现象的前沿性课题，是对表面冲击相关研究的深化，对推动人类认识复杂传递现象、发展相关高新技术有重要价值。本申请项目基于对弯曲表面的液膜在单个和连续液滴撞击下的界面形态、动量传递和能量传递等相关宏观物理现象的观察，探索研究对象的动力学、热力学过程所呈现的尺度效应、界面效应、形状效应，温度、压力、速度、浓度等非均匀力势场的非均匀性及耦合效应，以及固-液-气相相互作用所引起的液膜在弯曲表面上的微细流动与传递现象，分析各力势对液膜宏观与微观行为、液膜稳定性和热质传递过程的影响，探讨弯曲表面上液膜冲击发展过程、液膜的动态和稳定性特征、相变传热机理以及弯曲表面上各力势主导作用的交替，揭示液膜内部物理现象的本质并对其作出科学描述，为形成液膜传热传质理论体系的建立做些必要的探索，并为相关工程技术发展提供基础理论支持。

液滴碰撞过程常见于工业设备中，因其较强的热质传递能力被广泛应用在能源、动力、化工、冶金和航空航天等领域，对此过程的深入理解对相关工业设备中的关键技术进步起着决定性的作用。同时，液滴碰撞作为一种典型的自由表面流动问题，其物理过程也是学术界研究的焦点。国内外对液滴撞击固体壁面进行了较全面的研究，但是对液滴撞击润湿壁面，尤其是撞击倾斜和弯曲润湿壁面的动力学特性还知之甚少。本项目采用实验观测、数值模拟结合理论分析的手段，从微细现象入手，对液滴碰撞润湿曲面的特殊物理特征进行了系统、深入的研究，取得了如下主要进展：.1. 建立了液滴撞击下液膜流动的不可压缩层流计算模型，采用耦合的水平集-流体体积法(CLSVOF)对液滴撞击水平液膜进行了数值模拟，通过与大量实验数据进行比较，验证了此方法在液滴碰撞模拟中的有效性。由计算结果对颈部射流的形成机理进行了解释，分析了气相参数对水花形态及液滴融合过程的影响，并对相关作用的物理机制进行了探索。.2. 采用高速运动分析仪观测了液滴撞击倾斜润湿壁面过程，分析了撞击后出现的现象。通过大量可重复性实验讨论了飞溅临界参数，并对前、后铺展因子进行了分析。揭示了液滴前、后初始铺展速度均随撞击角增大而升高的变化规律。在实验观测的基础上，数值模拟了三维液滴在倾斜润湿壁面上的铺展变形过程，展现了液膜内的压力积聚效应。.3. 实验及数值研究了液滴撞击润湿圆柱壁面过程，分析了撞击目标与液滴曲率比对撞击现象的作用。总结出了液滴在润湿圆柱壁面反弹、铺展及水花的特征参数变化规律，归纳出了液滴沿圆柱母线方向铺展因子的预测模型及水花宽度的经验公式。分析了液滴反弹临界数随曲率比的变化。依据能量守恒原理，理论分析了液滴反弹过程，获得了预测反弹临界Weber数下限的理论公式。.4. 实验及数值研究了液滴撞击润湿球面过程，提出了液滴在润湿球面铺展因子的线性增长模型，确定了球面弯曲效应对飞溅临界Weber数的影响：当曲率比小于0.224时，飞溅临界Weber数几乎不随曲率比的减小而变化，润湿球面的弯曲效应消失。.5. 根据液滴碰撞曲面液膜过程所得到的研究结果，进一步深入考察了大管束水平管降膜蒸发器传热性能、压降、温度损失的变化规律。获得了蒸发器传热系数在水平和垂直方向的空间分布特征，并分别讨论了喷淋密度、蒸发温度、换热管内外温差、蒸汽流速对总传热系数、压降和温度损失的影响。