低气压条件下薄液膜区流动和界面特性实验研究

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低气压环境广泛存在于喷雾干燥、快速蒸馏、航空航天等领域,对生产生活产生重要影响。薄液膜区是工质蒸发重要的热质传递区域,受到研究人员的广泛关注。目前的研究重点为常压条件,鲜有对低气压条件下的薄液膜区研究,主要集中在宏观弯月面区。本文将重点研究低气压条件下液滴薄液膜区的流动特性和界面形貌。基于倒置型荧光显微镜,采用激光全反射产生的隐逝波作为照明光源照亮视场区域。为满足实验要求,设计搭建了适配荧光显微系统的真空腔体以及附属设备,创建了一个压力稳定的低气压实验条件,在真空度为10kPa、20kPa、30kPa、40kPa、50kPa条件下进行了实验。采用多层纳米粒子图像测速分区分层技术,在低气压条件下对纳米尺度的薄液膜区进行了内部流体流动特性以及界面形貌的研究。实验研究的对象为具有不同性质的流体,分别是去离子水、乙醇(低碳醇)、正己醇(高碳醇)的水溶液,吸取10μl滴在观察界面形成固着液滴进行观察。通过对去离子水工质的流动特性以及界面形貌的探究,观测到真空度增加对薄液膜区流体流动速度的促进作用,使薄液膜区域流体流速有了显著的增加。薄液膜区域顶层流体平均流速在五种低气压条件下的流速分别为57.99μm/s、61.52μm/s、65.2μm/s、66μm/s、68.25μm/s。真空度增加会对薄液膜区的恒定接触半径(CCR)模式、恒定接触角(CCA)模式、以及混合模式等产生影响,使CCR模式蒸发时间缩短,解附时间提前,进入CCA模式薄液膜初始高度增加,临界高度提升,液膜下降速度增加,使整体蒸发时间缩短。其次,研究了乙醇水溶液和正己醇水溶液的界面形貌以及流动特性,并对三者进行了比较。结论得出整体流速上乙醇水溶液>正己醇水溶液>去离子水。真空度的增加会促进三种流体流速的增加。乙醇水溶液和正己醇水溶液的液面下降速率随着真空度的增加而增加,相比而言,乙醇水溶液蒸发初期薄液膜高度下降速度很快,随着真空度增加速度进一步加快。观测到乙醇水溶液临界高度的变化对真空度比较敏感,而正己醇水溶液受真空度的变化影响较小。分析不同真空度条件下的三种工质的解附时间、临界高度、液膜下降速率的相关数值,发现其数值与真空度近似为指数关系,并将相关数值的对数与真空度拟合成线性关系函数。本实验研究有利于进一步理解不同气压下冷却工质的热质传递特性,为能源化工、航空航天以及生命科学等领域的应用提供了微观的理论参考。
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