高频微尺度液滴序列在高温靶面上的耦合铺展与沸腾传热特性研究

The impingement of droplets on superheated substrate is widely existing in a variety of industrial applications such as spray cooling, ink-jet printing, and metal processing, etc. However, in despite of the importance, few research attention has been paid to the following two issues: the appearance of boiling during the droplet spreading, and the interaction of different droplet impingement. In order to address the aforementioned issues, we propose to investigate the impingement of high-frequency droplet train (a droplet stream with uniform diameter and interval) onto superheated substrate with Leidenfrost temperature. The project aims to identify the boundaries between the different hydrodynamic patterns, to reveal the transition mechanism of the impingement patterns, and to investigate the effects of transient conduction and interfacial micro/nano structure of the substrate on the hydrodynamic pattern and impingement heat transfer. Based on the experimental observations and analyzes, the mathematical descriptions of the energy transfer in the droplet-substrate system will be established by including the interfacial boiling model and unsteady heat conduction model into the existing droplet spreading model. The associated key dimensionless number should be generalized accordingly. The deep understandings of the fundamentals of the droplet train impingement heat transfer would be helpful and instructive to the corresponding industrial designs and optimizations.

液滴撞击高温靶面后的铺展与传热现象广泛存在于喷淋冷却、喷墨打印、金属热处理等各类工业应用中。然而，在相关基础研究中有两个重要的因素尚未得到足够的关注：1）液滴撞击靶面后存在沸腾相变；2）不同液滴撞壁铺展过程相互耦合。针对上述不足，本项目拟采用实验与理论相结合的研究方法，对等间距、等粒径、高频液滴序列冲击高温基板（温度范围横跨莱顿弗罗斯特临界点）时的周期性耦合铺展与传热特性展开研究。重点考察临界点附近各类液滴耦合铺展传热模式之间相互转变的临界条件和机理，重点探索基板的非稳态热扩散能力以及基板界面微观结构对上述耦合铺展传热特性的影响机理。基于实验观察构建整个系统的能量传递数学模型，将界面沸腾传热模型与基板瞬态导热模型耦合入已有的液滴铺展模型，并分析得到影响液滴撞壁耦合铺展与传热的无量纲准则数。深入研究上述问题有助于理解这一物理过程发生的机制和规律，从而为控制和优化各类设备中的传热过程提供依据。

本项目围绕高频率、微尺度、等间距液滴序列撞击高温基板沸腾相变传热这一物理过程展开实验与理论研究。重点开展了：1）液滴撞击高温基板耦合铺展流体力学特性研究：不同形状射流在外界规则扰动作用下的破碎规律及作用机理；多因素影响下单液滴撞击高温基板铺展特性；多因素影响下液滴序列撞击高温基板耦合铺展特性。2）液滴序列撞击高温基板沸腾模态临界点转变特性研究：液滴序列频率、流量等参数对临界转变温度的影响规律和作用机理；基板热物性、表面特性等因素对临界转变温度的影响规律和作用机理。3）液滴撞击高温基板传热分析理论研究：极坐标系一维非稳态导热反问题的理论分析求解；基于CFD数据的理论模型验证。. 通过开展上述研究，获得的重要结果为：1）提出了一种获得更广参数范围的液滴序列的方法：通过采用不同宽高比的矩形射流，获得了比圆形射流更宽的频率、速度等液滴序列参数范围。2）提出了一种基于瞬态温度特性的液滴撞击高温基板定量相图：该定量相图方法弥补了基于液滴流态的传统相图仅能体现模态边界但无法给出传热强弱的短板，基于该定量相图发现了过渡沸腾状态下的传热岛新现象。3）获得了液滴序列撞击高温壁面沸腾模态转变临界条件的影响规律及作用机理：在相同流量条件下，采用更高频率的液滴序列有利于沸腾相变蒸汽的周期性释放，进而显著提高了Leidenfrost临界温度。4）获得了不同基板性质对液滴撞击高温基板沸腾传热特性的影响规律：构建了适用于不同沸腾模态的液滴撞击高温基板液滴停留时间模型和半经验关联式，基于该模型可获得液滴撞击高温基板传热量。5）提出了一种基于导热反问题的液滴撞击传热量计算理论方法：基于该方法，可通过实验测量得到基板内部温度演化曲线求得液滴撞击高温基板平均对流传热系数，进而获得液滴与基板间的传热量。