滴状凝结液滴生长及传热的分形分析

论文摘要

水蒸气遇冷凝结的相变对流传热方式在工业领域如核工程、蒸汽动力工程、化学工程、航天与航空工程以及植物表面等非常普遍。当饱和水蒸气与过冷壁面接触时,会出现两种不同的凝结传热形式：膜状凝结形式和滴状凝结形式（也有的作者称其为珠状凝结）。至于在壁面上形成哪一种凝结形式,这与固体和液体的表面性能有关,换句话说,也就是和液体在凝结表面接触角的大小有关,这是本文首先研究的问题。本文根据能量守恒原理,同时结合表面粗糙因子和液体在粗糙表面的浸润行为,获得了粗糙表面液滴的前进和后退接触角表达式,运用此表达式成功解释了Wenzel方程和Cassie-Baxter方程无法解释的实验数据。目前,大量实验结果已经表明,滴状凝结传热系数是膜状凝结传热系数的几倍甚至几十倍,但是,由于凝结表面液滴尺寸从纳米延伸至毫米,尺寸跨度达六个量级,液滴成核以及液滴之间的合并是随机和复杂的,所以,迄今为止人们仍未清晰地了解凝结表面液滴的生长过程和传热机理。本文分别从理论分析和数值模拟两个方面研究了这些问题。本文的研究结果显示,液滴尺寸分布函数与液滴尺寸满足分形标度率,冷凝表面的液滴分布同多孔介质中的孔隙分布一样都具有分形特征,借助液滴尺寸分布的分形特征,建立了冷凝表面热流密度的分形模型,此模型预测的结果与实验测量结果吻合较好。本文共分为五章。第一章,介绍滴状凝结的研究进展,包括液滴成核、液滴生长过程、液滴传热及影响传热的因素、实现滴状凝结的方法四个方面,并简单介绍本文将涉及的分形几何理论。第二章,讨论液滴与固体表面的接触状态,推导粗糙表面液滴静态接触角和接触角滞后的方程,建立一个粗糙表面分形模型。第三章,分别从静态和动态两方面研究液滴尺寸分布,并重点研究凝结表面液滴尺寸分布的特征。第四章,根据液滴尺寸分布的分形特征建立滴状凝结热交换的分形模型。第五章,对本文的主要内容进行总结,就滴状凝结的进一步研究进行展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 冷凝表面液滴成核机理的研究进展
• 1.2 液滴生长过程的研究进展
• 1.3 冷凝表面传热及影响传热因素的研究进展
• 1.4 实现滴状凝结的方法
• 1.5 分形几何理论
• 2 液滴与固体表面接触状态的分析
• 2.1 液滴平衡接触角的理论表达式
• 2.2 液滴接触角滞后的理论表达式
• 2.3 粗糙表面的分形模型
• 2.4 小结
• 3 液滴尺寸分布的理论与数值分析
• 3.1 液滴成核密度的推导
• 3.2 液滴尺寸分布的理论分析（静态）
• 3.3 液滴尺寸分布的数值分析（动态）
• 3.4 小结
• 4 滴状凝结热交换的分形分析
• 4.1 滴状凝结热交换的分形分析
• 4.2 小结
• 5 总结和展望
• 5.1 总结
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文