液滴碰撞曲面液膜波动特性及对换热特征的作用机理研究

Drop impact on a curved surface is the typical flow process in horizontal-tube falling film evaporators and wire mesh demisters. Exploring its related fundamental scientific problems is crucial for the key technology development of such equipment. This project will carry out research about single/dual-drop impinging on curved films, adopting experimental observation and numerical simulation as the studying methods. The focus lies in the film fluctuation evolution after impact and the influential mechanism of fluctuation on heat transfer characteristics. With support of observing the dynamic contacting process between the drop and film repeatedly, influences of curved surface effect, wave interference and overlay on the fluctuation can be revealed. Besides, under the single phase and phase change conditions, quantitative work about wave amplitude and frequency, inner convection, surface evaporation will be conducted, so that the quantitative impact of fluctuation on heat transfer performance can be analyzed efficiently. Based on the two aspects, the theoretical connotation in macro morphology and micro heat mass transfer of the fluctuation will be provided and the theoretical model used to predict the fluctuation temporal and spatial evolution will also be established, to enrich the theoretical exploration in the drop impinging field.

液滴冲击曲面作为水平管降膜蒸发器、丝网除沫器等工业设备中的典型流动过程，对其所涉及基础科学问题的探索对此类设备的关键技术开发具有重要价值。本项目将开展单/双液滴碰撞弯曲表面液膜过程研究，采用实验观测辅以数值模拟的手段，着重于碰撞后液膜波动的演变规律以及波动对换热特征作用的物理机制。通过反复观测液滴与不同曲率弯曲表面液膜的动态接触过程，探明固体曲面效应、波干涉与叠加效应对波动特性的影响。另外，液膜与曲面单相、相变换热条件下，作出曲面液膜在撞击过程中波动幅度和频率、内部微对流、表面蒸发的定量分析，从而实现波动过程对换热性能贡献的量化研究。在此基础上，阐明液滴碰撞弯曲表面液膜波动的宏观形态与微观热质传递过程的理论内涵，初步建立可预测液膜波动随时空变化的理论模型，以期丰富液滴碰撞领域的理论探索。

液滴冲击曲面作为水平管降膜蒸发器、丝网除沫器等工业设备中的典型流动过程，对其所涉及基础科学问题的探索对此类设备的关键技术开发具有重要价值。本项目首先对液滴冲击平面及曲面液膜时的流体运动过程和换热特征开展了实验和数值模拟研究。液滴冲击液膜后在惯性力作用下会产生一次波，后期受表面张力影响在一次波外围产生多重毛细波，相邻波动之间的波长随时间增加不断增大，采用修正后的Yarin-Weiss运动间断理论可以有效预测波动直径的变化规律。液滴撞击液膜时，壁面平均热流密度随液滴撞击速度的升高而增大，液膜厚度和液滴直径对平均热流密度的影响较小。.其次，对液滴碰撞加热壁面进行了系统、深入的研究。按照撞击后液滴与壁面的接触尺度将撞击后的现象分为两大类：局部接触式沸腾和全接触式汽化。得出了液滴最大铺展因子及其所对应的无量纲时间、液滴无量纲停留时间的经验公式，并初步探讨了液滴暴沸脱离时间的变化规律。发现剧烈核态沸腾中的二次液滴源于宝塔状气泡顶部射流及宝塔状气泡和半球形气泡的破裂。表面蒸发时恒定润湿面积阶段仅适用于水滴，其临界接触角为5-8。讨论了液滴的蒸发时间、蒸发率和热流密度，发现蒸发率和平均热流密度随壁温呈线性增大趋势，最大平均热流密度不超过0.1W/mm2。.最后，应用耦合水平集-流体体积方法结合高斯随机分布扰动对多液滴同步冲击平面液膜飞溅过程进行了三维数值模拟，通过分析压力、速度等细微场量分布，揭示了中间薄膜射流的生成、破碎以及后期柱状射流的形成机理。此外，讨论了韦伯数、液膜厚度、液滴间距对薄膜射流高度的作用规律。对于液滴连续冲击液膜，后续液滴撞击残余液膜时，液膜内流体径向运动致使后续液滴飞溅临界参数增大；一次与二次水花接触后会产生气泡夹带现象。本项目的完成对传热传质和多项流等相关基础学科中薄液膜形成及高效换热的理论发展具有重要意义，对推动喷雾冷却技术发展也具有重要的工程应用价值。