液滴蒸发普遍存在于芯片冷却、空间降温、核反应堆热控以及静电喷雾冷却等工业工程领域中。电子设备集成化及高功率化的发展趋势愈发凸显,依靠液体自然蒸发的传统散热方式已无法满足高热流密度散热需求,如何在有限空间中提升液滴蒸发过程的传热传质效率成为当前急需攻克的难题。电场强化蒸发技术能够突破液滴自然蒸发过程中的速率极限,具有功耗低、增幅高和系统简单等优点,已成为国内外学者竞相研究的焦点。掌握电场作用下液滴蒸发特性及热质输运强化机理是解决高功率器件高效换热的关键,现有研究多集中在电场作用下基面附着液滴的蒸发过程,其传热传质效率受接触特性影响较大,无法明确电场作用下孤立液滴蒸发强化的核心机制,且对非均匀电场中的蒸发强化机理研究较少。对电场中悬垂液滴蒸发过程的研究有助于深入揭示电流体动力学强化传热传质机制,进一步推动电场强化蒸发技术的发展。本文以电场作用下悬垂液滴蒸发为对象,采用高速数码摄像可视化实验系统研究了针-板非均匀电场作用下纯水液滴与乙醇水溶液液滴的形态演化以及动态特性,基于PIV粒子测速技术实现了电晕离子风风场的定量测量,揭示了电场强化液滴蒸发的核心机制,并探究了热对流对电场强化传热传质的影响,主要研究结论如下:1.利用数字图像后处理技术对液滴的动态几何参数和表面张力进行精确计算,系统研究了电场对悬垂液滴不同蒸发阶段的影响。通过分析液滴蒸发过程中的动态行为,发现悬垂液滴蒸发过程可分为对流换热主导阶段和液滴内部导热主导阶段,而针对乙醇水溶液液滴的选择性蒸发效应又可将对流换热主导阶段细分为以乙醇为主要蒸发介质和以纯水为主要蒸发介质的阶段。提高电场强度可有效提升纯水液滴对流换热主导阶段的蒸发速率,而对乙醇水溶液液滴,蒸发速率的提升效果随着乙醇浓度的降低而减弱,8 k V时60%体积浓度乙醇水液滴的最大蒸发速率与自然蒸发相比提升了1.67倍。受电场对表面张力的削弱作用影响,液滴左接触角会随着电场强度的增加持续减小,同时液滴受电场力与离子风阻力的影响向右侧偏转,右侧初始接触角随电场强度的增加而增加,变化幅度加剧。此外,电场产生的库仑力可以有效的削弱表面张力,相同电场强度下液滴介电常数越高,库仑力越大,削弱作用越明显。2.基于电晕离子风作用效果的定量测量,研究了针-板非均匀电场诱导产生的离子风对于液滴振荡及蒸发特性的影响。结果表明,当U≥6 k V时,针-板电极电场作用下电晕离子风的生成强化了液滴与周围气体的对流换热,是液滴振荡加剧及蒸发速率大幅增加的主要原因。随着荷电电压增大,离子风由非稳定圆锥形演变为稳定纺锤形,其作用范围与强度均显著提升。随后,从离子迁移率的角度分析并验证了环境气体种类对离子风强度的影响规律,发现气体分子量与极化率对离子风强度的决定性作用。荷电电压为8 k V时氦气环境中离子风的最大风速为1.75 m/s,而二氧化碳环境中仅为1.26 m/s。在此基础上,通过不同环境气体下蒸发速率与最大离子风强度的对比,发现了液滴蒸发速率与离子风强度存在线性关系,验证了针-板电极电场作用下悬挂液滴蒸发强化主要机制为离子风对传热传质的强化作用。3.基于显微高速摄像和热电偶测温技术对荷电液滴蒸发行为和温度演变进行了动态测量,分析了气体温度和流速对电场强化蒸发传热传质过程的耦合影响规律。热对流环境中液滴温度演变主要分为快速升温、温度持平和缓慢升温三个阶段,增大气体温度、气体流速和电场强度均可提升液滴的蒸发速率,从而缩短液滴进入缓慢升温阶段的时间。电场作用下对流换热的增强比随着液滴直径的减小呈现先增大后减小的趋势,并且气体温度的升高会在一定程度上削弱电场对对流换热的强化作用,当气体温度由30℃增加至60℃时,8 k V时蒸发速率提升幅度由64%缩减至46%。非均匀电场下液滴蒸发过程中传质的增强效果取决于电晕风的大小,且电晕风对传质的增强机制与强迫对流对传质的机制均为气体对表面蒸汽层的剪切作用,因此气体流速的增加会抑制电晕风对蒸发的强化作用,当气体流速由0.65 m/s提升至0.70 m/s时,8 k V时最大传质增强比由1.76降低至1.34。