液膜多频波动特性强化蒸汽冷凝传热的微观机理

Research on wave characteristics and condensation heat transfer has great scientific value and potential application prospect to develop the heat transfer enhancement theory of film wave and improve the heat transfer rate of the condensation equipment. It is concentrated on the physical nature understanding of the film multi-frequency wave characteristics and phase change under a natural perturbation. The effects of multi-frequency wave interactions and the dynamic wave evolution on condensing heat transfer are taken into account. Guided by the non-contact and visualizing subtle quantitative experiments and based on the understanding and description of condensation heat transfer characteristics and nonlinear dynamics of wave film, it is emphasized on the simulation method to capture wave film phase interfaces, the theory and dynamic simulation on the nonlinear interactions of the multi-frequency waves, the experimental method to decompose the multi-frequency wave data and the wave evolution model combined with the decomposing experimental data. The heat and mass transfer phenomena and process bahavior of wave dynamic characteristics and wave interactions enhancing condensate, together with inherent reasons and scientific expressions of the phenomena, are analyzed. The microscopic mechanism on the condensation heat transfer enhancement of film wave characteristics is revealed. This application will serve the exploration and basis for the fundamental scientific theory.

开展波动特性与蒸汽冷凝传热的研究，对发展液膜波动强化传热理论，推动冷凝换热设备传热性能的提高，具有较高的科学价值和潜在的应用前景。本申请针对自然扰动条件下液膜多频波动特性和相变传热的物理本质认识，广泛考虑了多频波动间相互作用和波动动态演化对冷凝传热的作用，以非接触可视化微细定量实验为先导，结合冷凝传热特性和波动液膜非线性动力学的认识和描述，重点发展捕捉波动液膜界面形态的计算方法、多频波动间非线性相互作用的理论和动态模拟、多频波动实验数据分解处理技术和与波动分解实验数据相耦合的波动演化数学模型，分析液膜动态波动特性和波动间相互作用强化蒸汽冷凝的能质传递现象和过程特性，以及现象形成的内在原因和科学表述，揭示液膜波动强化冷凝传热的微观机理，以期望为形成基础科学理论做些必要的探索和铺垫。

冷凝液膜波动对传热传质过程的强化作用广泛应用于石化、制冷、能源、航空航天和海水淡化等领域。冷凝液膜中波动特性强化传热的研究对于揭示波动特性强化传热机理有重要科学价值，对推动冷凝换热设备传热性能的提高有潜在的应用前景用。.研究内容：基于非接触可视化测试技术，实验研究蒸汽冷凝过程中波动液膜界面的动态特性和波动在液膜内的演化，测量周期性强制扰动和实际自然扰动条件下的膜厚、波长、波速、波频等波动数据，建立对多频波动实验数据进行分解处理的方法，将液膜波动和传热特性作为一个整体来研究冷凝液膜的传热传质现象; 建立模拟多频波动冷凝液膜动态演化的数学模型，将汽液界面波动的演化作为数学模型求解的一部分，实现对相界面波形和特性参数的真实描述。结合液膜波动特性的实验数据，对强制扰动和自然扰动条件下波动的动态演化过程和波动特性进行数值模拟和理论描述，探究液膜波动强化传热的微观机理。.主要结论如下有：（1）存在于非正弦孤波内的压力梯度决定波动演化和孤波内速度分布；速度变化引起的对流作用使温度呈现非线性分布；（2） 近壁面法向速度对波动冷凝液膜内微观传热起重要作用，通过两种途径影响壁面温度梯度：改变壁面处流体分布和法向速度方向变化产生的对流作用；（3） 根据数值绘制的中性稳定曲线确定对应临界液膜Re数的扰动频率为16Hz；对比有无强制扰动时液膜表面时空演化，发现强制扰动可维持连续稳定的液膜波动；液膜对低于16Hz扰动的响应不足以形成波幅连续递增的波形分布；不同扰动频率下波长、波速和波频分布体现了波动继承扰动频率的特性；（4） 波动引起的传热面积增加对强化传热的贡献可忽略不计；最小时均膜厚和最大无量纲基底液膜长度表明液膜减薄取决于基底液膜长度而非基底液膜厚度；减薄液膜和对流效应对强化传热的贡献分别为24%和6%。以第一作者发表国际SCI检索论文7篇，其中JCR1区论文4篇，授权发明专利2项。