单双组分固着液滴蒸发过程对流传热传质的数值和实验研究

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固着液滴蒸发一直是个很复杂的物理现象。本文采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)追踪自由界面,针对液滴固定接触半径(CCR)的蒸发模式,建立了流动、传热、传质三种物理过程两两耦合的瞬态数值模型。在蒸气输运控制方程中考虑对流传质,能够准确地计算液滴蒸发速率。动量方程中体积力项的增加使液滴蒸发模拟更贴近重力场中的实际蒸发状态,也完善了流体流动的触发机制,为更好地研究滴内流动结构提供了保证。对固着纯液滴蒸发的瞬态效应及对流传质的数值模拟研究表明,液体挥发性越强,基底导热性越差,标准化瞬态持续时间就越长。而当液体挥发性越强,基底导热性越好时,对流传质对总蒸发速率的贡献也越大。进一步分析发现气相区自然对流不仅与温度和蒸气浓度梯度有关,还与蒸气的摩尔质量相关。在自然蒸发下,当蒸气摩尔质量大于空气,液滴表面的气体密度要高于远场,只形成沿气液界面爬升的自然对流;当蒸气摩尔质量小于空气时,在蒸发冷却效应较弱的情况下(在导热性好的基底上蒸发),液滴周围的气体密度要小于远处,这种密度分布不仅会引起液滴表面附近自然对流,更容易在气相域内形成整体浮力流,所以对对流传质的贡献也是最显著的。通过对滴内流动结构的数值模拟研究,发现界面温度梯度引起的马朗格尼流动是主要的流动形式。但在惯性力作用下,窄区域内的小温度梯度所触发的流动涡会被相邻大尺度的流动涡“吞噬”。液滴挥发性的增强会增大Bi数,蒸发冷却效应明显,导致Ma数也增大,滴内涡数变多,流动加强,Pe数增大,对流传热增强,有利于滴内温度场更均匀的分布,从而使多涡持续时间减少。而大接触角下,Ma数增大,蒸发液滴内涡数呈现阶梯式增长。由于滴内导热路径的加长,液滴流动结构演变前期漩涡中心贴近液滴表面,不利于大尺度的对流传热,而小接触角情况下,漩涡中心出现在液滴内部,虽然涡结构减少,但对流传热却能很好地促进滴内稳态温度场的建立。因此,当θ0<90°时,多涡持续时间迅速减小;当θ0>90°时,多涡持续时间则会缓缓增大。与此同时,我们还对甲醇-水溶液液滴(水的体积分数分别为100%、7%、60%、50%、25%和0)的“蒸发”特性进行了实验研究。通过简易双组分液滴蒸发-凝结模型的计算,证实了在高甲醇蒸气“湿度”的环境中,水分蒸发的同时甲醇蒸气会向二元液滴(包括纯水滴)上凝结。由此得以解释二元液滴蒸发时液滴总体积会增大再逐渐减小的实验现象。由于甲醇蒸气的凝结,导致液滴表面张力减小,加上液滴体积的增加,三相接触线将向外铺展,接触角迅速减小,液滴处于生长阶段。而滴内甲醇浓度的提高会提高液滴表面甲醇蒸气分压力,减少蒸气凝结,水分蒸发逐渐占据主导地位,之后液滴进入缓慢的CCR蒸发阶段。初始水分体积分数越高,液滴体积增加的越大,达到体积最大值所需时间也越长。
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