液滴冲击与微结构热壁面液膜层相互作用机制研究

液滴与固体壁面撞击现象广泛存在于人类生产活动中，相关过程涉及化工、冶金、航空航天、材料及制造等工农业生产和现代高新技术领域，开展相关研究具有重要科学意义与实用价值。本项目针对液滴对微结构热表面薄液膜层的碰撞与相互作用，系统研究微液滴撞击、液膜层与微汽泡生长变化的动态过程及其与热表面温度分布之间的相互影响；引入新概念与新理论深入探讨液膜层内多相流动与换热机制及各种因素的影响规律；深刻揭示微液滴撞击与液膜层间相互作用的基本规律、薄液膜层内多相流动与复杂传热的微观机理及其对宏观热输运过程的影响、液膜层不同换热机制对改善整体冷却效果的相对作用程度。探索微结构强化换热机理及其对表面液膜层和微汽泡形成与发展的影响，获得强化传热和提高冷却效果的有效途径和方法，发展相关实用新技术，为进一步深入研究与应用提供坚实理论基础和重要技术指导。

液滴与固体壁面撞击现象广泛存在于人类生产活动中，与人类的生存和发展密不可分。液滴撞击固体壁面属于典型的自由表面流动问题，相关过程涉及化工、冶金、航空航天、材料科学和制造等工农业生产和现代高新技术领域，如用于高热流密度器件散热的喷雾冷却、内燃机燃油的雾化喷射等。研究液滴与固体壁面撞击现象不仅能更好认识自由表面流动问题的本质，而且对实际生产和现代高科技应用都具有非常重要的科学意义与实用价值。. 本项目针对液滴对微结构热表面薄液膜层的碰撞与相互作用进行研究。实验方面：建成液滴碰撞加热固体壁面可视化实验系统，采用先进显微放大高速摄影技术对液滴碰撞后壁面液膜层形成、液膜层厚度及液膜层内气泡生长变化的动态过程进行了可视化观测，详细研究了各因素对液膜层流动与汽泡运动的影响规律。液滴喷射的启动过程是实际应用需要考虑的关键过程，在此过程中存在液膜平均厚度最大值，液膜厚度达到最大后可能会引起设备烧毁；随喷射液体流量增加，液膜平均厚度逐渐减小，达到动态稳定后液膜表面波长和波幅都减小，此时表面蒸发所占比例减小，主要依靠对流方式传递壁面热量；液膜层内气泡运动是影响液膜厚度的主要原因之一，气泡生长和上升处的液膜厚度较气泡产生和聚集过程的液膜厚度大。设计加工了不同形状的表面微结构试件，包括不同尺寸的微槽道结构和微方形凸起，对其进行了液滴喷射冷却换热特性实验研究，并将其与平板固体壁面实验结果进行对比分析，揭示了微结构强化换热机理，并提出了表征微结构表面换热能力的无量纲数。. 理论研究方面：建立了单喷孔和多喷孔雾化喷射过程的三维几何模型，基于多相流和液滴冲击动力学，采用基于欧拉—拉格朗日法的离散相颗粒模型对多喷孔下的液滴流场进行了详细数值模拟，得到了入口压力、流量以及喷孔距壁面高度对液滴索太尔直径、速度及其分布的影响规律；通过与单喷孔对比，给出了喷孔个数对喷雾场内雾滴速度分布及粒径大小的影响；综合考虑重力、表面张力和粘性等因素的影响，对液滴碰撞恒温微槽水平固壁的运动过程进行数值模拟，探讨了微结构对液滴冲击壁面的影响，为进一步深入研究奠定了重要基础。在国内外学术期刊上发表论文6篇，其中被SCI收录3篇，被EI收录3篇；申请发明专利2项。