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题名三相线钉扎的大体积液滴蒸发研究
作者赵栋栋
答辩日期2021-05-19
文献子类硕士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
导师刘秋生
关键词三相线钉扎,蒸发速率,扩散效应,Marangoni对流,热流密度
其他题名Investigation of Large Sessile Droplet Evaporation with Pinned Triple Line
学位专业流体力学
英文摘要

由于附壁液滴蒸发广泛应用于多种工程领域,且内在包含热质输运耦合机理,本文采用实验与物理建模相结合的方法,对置于加热基座上的三相线处于钉扎状态且接触半径大于毛细长度的附壁液滴蒸发进行了研究。

实验方面,利用实践十号蒸发对流箱,在地面一个大气压开放环境下开展了无水乙醇大滴在加热PTFE表面的蒸发实验。重力场中的附壁大滴呈现为非球冠状。蒸发大部分时间内三相线处于钉扎状态,未出现CCA(恒接触角)阶段。对于拥有相同接触半径且三相线处于钉扎状态的大液滴,平均蒸发速率与初始体积无关。准静态扩散模型因忽略了浮力对流的贡献低估了瞬时蒸发速率,而同时考虑蒸汽扩散和气相域浮力对流的经验模型的准确性依赖于实验所使用的工质。瞬时蒸发速率在短时间内迅速上升,之后长时间内基本保持稳定。热流密度演化经历了快速上升的Stage1、保持平稳的Stage2、快速下降的Stage3三个阶段。

本文对实践十号返回式科学实验卫星上的附壁液滴蒸发结果进行了分析。除了蒸发末期形成的液膜外,空间大滴在整个蒸发过程中呈现为球冠状。对于微重力环境下的钉扎大滴,扩散是蒸发的主要驱动力,对蒸发速率的贡献占比高达85%以上,Marangoni效应的贡献占比随基座温度Ts的升高而升高,随初始体积V0的增大略有增大。

物理建模方面,建立了二维轴对称钉扎大滴蒸发模型。局部蒸发通量从液滴顶部沿气液界面到三相线逐渐升高,且在靠近三相线时急剧增大。在r0rz平面内,液滴内的Marangoni对流沿逆时针方向,在气液界面及对称轴靠近液滴顶部处的流动速度大,处于10 mm/s的量级。液滴内温度场不均匀,且温度最低点位于液滴顶部中心,温度最高点落在固液界面靠近三相线的位置。气液界面最大温差T随基座温度Ts的增大而降低,随液滴初始体积V0的增大而增大。固液界面热流密度在对称轴和三相线处高,在靠近三相线处的温度最高点最小。随着蒸发进行,局部蒸发通量沿气液界面分布的不均匀程度加剧,Marangoni对流减弱,气液界面最大温差T降低,温度最高点沿固液界面径向向内运动,固液界面温度整体上升,但三相线附近的温度却有所下降,固液界面热流密度分布不均匀性增大。

语种中文
内容类型学位论文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/86555]  
专题力学研究所_国家微重力实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
赵栋栋. 三相线钉扎的大体积液滴蒸发研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2021.
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