液滴撞击弯曲表面的动力学特征及换热机理

液滴撞击壁面所产生的自由界面、液滴形态、传热传质现象是目前微细传递现象研究的前沿性课题，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。本申请基于对液滴撞击曲面后的界面形态、能质传递等相关宏观现象的物理现象的观察，探索研究对象的机械、物理、化学等性质所呈现的尺度效应、界面效应、形状效应、各力势场的非均匀性及耦合效应、固-液-气相相互影响等所引起的液滴/液膜内的微细流动与传递现象，通过对液滴在曲面上的形态行为观测，分析各力势对液滴宏观与微观行为、热质传递的影响，发展自由表面模型和液膜内的微细热质传递模型，探讨弯曲表面液滴冲击和液膜流动动力性特征和相变传热机理，揭示其现象的物理本质并对其做出科学描述，旨在揭示研究对象内部的非线性动力过程及其与液膜内部微细传递现象的相互作用，以期能为形成基础科学理论体系做些必要的探索。

液滴与固体壁面的碰撞因其很强的质交换和热交换能力而被广泛应用在能源、化工等领域，水平管降膜蒸发器中的液滴滴落、铺展流动及传热过程就是一种典型的应用，这已成为多效蒸发海水淡化装置的主要技术。液滴与壁面接触的尺度、速度、形式、形态、过程等，往往对相应的工程技术起着决定性的作用，成为工程技术发展的关键因素。本课题用实验和数值模拟方法研究了液滴撞击固体平面、斜面以及弯曲壁面的动力学过程，从微细现象入手对该过程中的特殊物理特征进行深入研究，取得了如下主要进展：.1.探讨了VOF、LBM、Level Set、CLSVOF方法对液滴撞击壁面过程进行数值分析的可行性，分别采用上述数值方法对不同条件下的液滴撞击过程进行了数值计算。结果表明，上述方法可有效表征液滴撞击后的液体形态，并可对液滴内部的动力学过程给出细致描述，计算结果与实测结果有很好的一致性。其中CLSVOF结合了Level Set和VOF的优点，计算结果可更有效地展现液滴撞击的细微特征。.2.建立了液滴撞击观测实验台，包括液滴撞击平面过程测量、液滴撞击倾斜表面测量、液滴撞击圆柱体表面测量、液滴撞击圆球体表面测量、液滴撞击上述表面覆有液膜时的测量等。解决了拍摄光源、清晰度、微细动态过程的测量问题，实现了对该过程的细致观测。.3.完成了液滴撞击水平与倾斜平面、液滴撞击干燥曲面、液滴撞击湿润平面、液滴撞击湿润曲面的实验观测，测试了液体撞击后的接触角、变形、铺展、水花形成、溅射、回弹、收缩等现象和特征，以及液滴在曲面上连续滴落的流动与传热过程，对相关过程中的特征参量和特殊现象进行了深入分析和规律性描述。.4.采用数值方法分析了液滴撞击干燥平面、干燥曲面、湿润平面、湿润曲面的动力学过程，对液体的内部流动、能量转换、温度分布及各种场分布特征进行了定量分析，对该过程中表现出的动力参数之间的规律性和作用机理进行了探讨和阐释。.5.根据实验和计算展现的特殊现象、特征参数和呈现的规律，建立了考虑界面效应和结构效应的液体变形、流动和内部传递规律与动力学参数之间的理论描述，提出了界面特征与物理参数的本构关系，对影响液滴形态与传递规律的机理进行了总结归纳。