【摘 要】
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液滴撞击高温表面现象广泛存在于能源、冶金、喷涂和冷却等领域。当壁面温度过高时,液滴撞击到高温壁面后会随着快速蒸发在壁面上生成一层稳定的蒸汽膜,达到膜态沸腾状态,膜态沸腾在不同的应有场景下所产生的效果有利有弊,因此有必要精准调控液滴的动力学行为。对壁面施加超高频振动(GHz)作为一种简单有效的主动调控方法,可以实现对液滴的精准调控,且具有频率高,振幅小等优点,不会影响设备的安全运行。本文通过分子动力
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液滴撞击高温表面现象广泛存在于能源、冶金、喷涂和冷却等领域。当壁面温度过高时,液滴撞击到高温壁面后会随着快速蒸发在壁面上生成一层稳定的蒸汽膜,达到膜态沸腾状态,膜态沸腾在不同的应有场景下所产生的效果有利有弊,因此有必要精准调控液滴的动力学行为。对壁面施加超高频振动(GHz)作为一种简单有效的主动调控方法,可以实现对液滴的精准调控,且具有频率高,振幅小等优点,不会影响设备的安全运行。本文通过分子动力学方法研究了微纳液滴撞击超高频振动高温壁面后的动力学行为,研究内容如下:首先针对液滴撞击高温光滑表面展开研究,分别设置不同壁面温度、不同液滴撞击速度、不同亲疏水性壁面来研究以上参数对液滴传热传质过程中的影响。在本文所设置的参数范围内,液滴撞击到高温亲水表面后会分别产生2种蒸发沸腾模式即接触沸腾和膜态沸腾,并且随着壁面温度的增加及液滴撞击速度的增大,越容易产生膜态沸腾,而疏水表面在设置的参数范围内仅发生接触沸腾。随后,对壁面施加超高频振动,结果表明随着振动频率和振幅的增加,亲疏水表面上都可以促进液滴达到膜态沸腾,且从液滴撞击到发生膜态沸腾所需的时间比静止壁面上达到膜态沸腾所需时间更短,振动频率越高,振幅越大,这种规律越明显。但当频率和振幅进一步增大时,液滴撞击到壁面后会达到膜态-弹起、膜态破碎-弹起状态,相同振动条件下,疏水表面更容易发生膜态-弹起或膜态破碎-弹起。随后,搭建不同形貌壁面、不同粗糙因子壁面、不同相面积分数壁面,比较在不同粗糙壁面下的液滴动力学规律,结果表明,在壁面静止情况下,液滴撞击不同形貌高温粗糙壁面(900 K)后,均发生膜态沸腾,且三角形壁面发生膜态沸腾所需时间最短,矩阵形壁面发生膜态沸腾所需时间较长,但相同初始条件下的光滑壁面未发生膜态沸腾,说明粗糙壁面可以促进液滴发生膜态沸腾。液滴撞击不同粗糙因子的栅栏形壁面后,均发生膜态沸腾,且液滴撞击壁面后发生膜态沸腾所需的时间出现了起伏的现象,液滴撞击不同相面积分数的栅栏形壁面后,均发生膜态沸腾,发生膜态沸腾所需时间基本相同。其次,对不同形貌的粗糙壁面施加超高频振动,在一定范围内,液滴撞击壁面后发生膜态沸腾所需时间与静止壁面下所需时间相比有一定缩短,且矩阵形壁面发生膜态沸腾所需时间的减少幅度更大。当振动条件进一步增大时,液滴撞击粗糙壁面后就会发生膜态-弹起或膜态破碎-弹起。
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