低压蒸气环境中固着液滴蒸发的数值模拟

论文摘要

固着液滴的蒸发过程广泛存在于农业、工业、航空航天以及医学等多个领域,是一个包含了流体流动、传热传质、相变和接触线动力学等问题的复杂物理过程。固着液滴蒸发过程中高效的热质输运特性在很多科技领域中都具有广阔的应用前景,如喷墨打印、疾病检测、喷雾冷却、DNA分子的拉伸和映射等。目前已存在大量有关固着液滴蒸发过程的基础研究,但大部分都只关注空气中固着液滴的蒸发过程,而对低压纯蒸气环境下固着液滴的蒸发鲜少涉及,因此仍有许多关于纯蒸气中固着液滴蒸发的问题亟待研究和解决。为此,本文针对纯蒸气中固着水滴和乙醇液滴的蒸发过程分别进行了数值模拟,获得了不同蒸发条件下液滴内部物理量场的演变和蒸发强度的变化规律。主要结论如下(1)当水滴在纯水蒸气环境中蒸发时,基底温度的提升会使液滴表面蒸发加剧,Marangoni对流增强。随着基底温度的升高,液滴内部流动发生转变,由双涡胞变化为四涡胞,再转变为双涡胞。表面温度分布会从对称的环状转变为花瓣状和锯齿状。固着水滴中的Marangoni流动随着接触角的增加而增大,但是表面蒸发速率在接触角增加时表现出先升高、后下降的趋势。液滴表面蒸发速率随蒸气压力的降低而逐渐增加,同时内部Marangoni流动增强。随着压力的降低,Marangoni流动不稳定性增加,液滴流动发生转变,表面温度由环状变化为三胞状分布。(2)对于固着乙醇液滴的蒸发过程,基底温度增加的过程中液滴表面温度分布和流动经历由环状分布到花瓣状分布的转变,基底温度继续增大时,液滴内部流动发生失稳,形成周期性振荡流动。液滴表面蒸发速率在基底温度较低时随接触角升高而增大,在基底温度较高时则呈现先增大、后减小的趋势。蒸发速率随蒸气压力的变化规律与水滴相同,当蒸气压力降低时,蒸发速率逐渐增大,Marangoni流动增强。此外,乙醇液滴在压力低于饱和蒸气压时流动会失稳,形成周期性流动,且随着蒸气压力的降低,振荡周期缩短,振荡幅度增大。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 课题背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 固着液滴蒸发模型
•     1.2.2 固着液滴蒸发中的热质输运
•     1.2.3 不同工质的蒸发
•   1.3 主要研究内容
• 2 物理与数学模型
•   2.1 引言
•   2.2 物理模型
•   2.3 数学模型
•     2.3.1 控制方程及边界条件
•     2.3.2 物性参数
•   2.4 数值方法与验证
• 3 固着纯水液滴的蒸发
•   3.1 引言
•   3.2 基底温度的影响
•   3.3 压比的影响
•   3.4 接触角的影响
•   3.5 小结
• 4 固着乙醇液滴的蒸发
•   4.1 引言
•   4.2 基底温度的影响
•   4.3 压比的影响
•   4.4 接触角的影响
•   4.5 小结
• 5 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 后续工作展望
• 参考文献
• 附录
•   A攻读硕士学位期间发表的论文
•   B攻读硕士学位期间参加的科研项目
•   C攻读硕士学位期间的获奖情况
•   D学位论文数据集
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张玉

导师: 李友荣

关键词: 固着液滴,纯蒸气,蒸发,低压,数值模拟

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 重庆大学

基金: 国家自然科学基金重点项目,微(变)重力环境下复杂界面流体传输特性与流动稳定性研究,编号:11532015,国家自然科学基金面上项目,环形液池内表面蒸发与热毛细对流耦合机理研究,编号:51776022

分类号: TN402;O551.3

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.001115

总页数: 60

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