液滴合并过程的LBM模拟及其诱导弹跳现象的理论分析.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123476
液滴合并过程的LBM模拟及其诱导弹跳现象的理论分析
彭本利兰忠徐威温荣福白涛马学虎*
(大连理工大学化学工程研究所,辽宁大连 116024)
(Tel: 0411-84986159, E-mail: ******@dlut.)
摘要:超疏水表面上液滴合并诱导液滴弹跳对强化含有不凝性气体的蒸气冷凝具有重要的作用,但是,液滴合并诱导液滴弹跳现象的理论分析还不够完善,理论计算结果与实验值相差甚远。本文利用格子Boltzmann多相流模型模拟了液滴合并过程液滴的动态演化以及合并过程中液滴内部的速度场分布,分析了液滴合并过程中释放的表面自由能的分配情况。基于模拟结果,利用能量分析的方法对超疏水表面液滴合并诱导液滴弹跳高度进行了理论分析,主要考察了表面粘附功、接触角滞后、空气阻力、液滴合并质心变化消耗的能量以及液滴自身粘性耗散的影响。理论计算液滴弹跳高度与实验测得的液滴弹跳高度进行了比较,理论计算值与实验值吻合良好。
关键词:液滴合并,弹跳,LBM模拟,超疏水表面
0 前言
液滴运动特性及其在冷凝表面的分布是影响滴状冷凝传热的重要因素,液滴快速从冷凝表面脱离,实现冷凝表面较小尺寸液滴的分布是强化滴状冷凝传热的主要途径。对于纯蒸汽的冷凝,通过在冷凝表面构造合适的微纳米结构,实现液滴快速核化以及尽早的脱离表面能够实现传热强化。而对于含有不凝性气体的滴状冷凝,由于冷凝传热热阻发生了转移,冷凝传热阻力主要集中在气液界面,从而加大气液界面的扰动,减薄气相传质边界层是实现含不凝性气体的冷凝传热强化。液滴的快速脱落是强化含不凝性气体蒸气滴状冷凝传热的重要手段[1-3]。超疏水表面具有接触角大,滚动角和接触角滞后小、具有自清洁的优点,受到广泛的关注和研究。对于蒸汽在超疏水表面的冷凝已经进行了大量理论和实验的研究[4,5],实验研究结果显示,纯蒸汽条件下,超疏水表面能够显示出完美的滴状冷凝,但是一方面超疏水表面的超疏水特性会在蒸汽冷凝条件下由于凝液渗透进入表面微纳米结构而使超疏水特性消失,而另一方面,由于不凝性气体的存在,在含有不凝性气体的蒸气冷凝过程中液滴能够在超疏水表面上形成具有空气囊的复合润湿模式,液滴能够快速的从冷凝表面脱落,这一方面减小了冷凝表面上液滴的平均半径,使液滴以较小的半径分布在冷凝表面上,另一方面,液滴的快速脱落能够加剧气液界面的扰动,降低了气相传质阻力,虽然,微纳米结构中空气囊的存在会产生传热附加热阻,在一定程度上会降低传热性能,但是由于含有不凝性气体的蒸气冷凝热阻主要集中在气液界面上,因此,超疏水表面驱动液滴快速脱落对含有不凝性气体尤其是不凝气含量高的蒸气冷凝具有强化作用。
资助项目:国家自然科学基金().
滴状冷凝是一个包括液滴核化、生长、合并和脱落的动态过程,超疏水表面上含
有不凝性气体的蒸气冷凝时,液滴合并释放的表面能足以克服超疏水表面对液滴的粘附从而使液滴发生跳离冷凝表面的现象。液滴合并诱导致使液滴跳离冷凝表面必然对汽液界面产生扰动,减薄了蒸汽向冷凝表面迁移的传递阻力,从而强化含有不凝性气体的蒸气的滴状冷凝传热。许多研究者已经研究了冷凝过程中液滴在超疏水表面上的快速运动。许多研究者已经从实验和理论方面对超疏水表面液滴合并诱导液滴弹跳现象进行