液滴撞击液膜的流动与传热FTM数值模拟研究

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液滴撞击液膜过程广泛存在于自然现象、化工生产、核能设备、电子元器件散热等领域中。液滴撞击后流体流动演化形态与流体间、流固界面的热量传导等一系列课题是近年来的研究热点。对液滴撞击液膜动力学过程中的流动传热特性研究有利于强化高功耗电子器件的传热性能以及提高工业设备的生产效率,因此,深入研究液滴撞击液膜过程具有较大的工程应用价值。界面追踪方法(Front Tracking Method,FTM)利用运动界面数学解的物理性质重构运动界面,可以准确地捕捉气-液相界面而不产生非物理现象。本文采用FTM分析了不同参数条件下液滴撞击液膜的动力学过程。首先,通过将数值结果与解析解和实验进行比较来验证所提出的模型正确性,研究了液滴竖直撞击覆盖有静态薄液膜高温壁面的界面演化过程。分析了液滴初始撞击速度、无量纲液膜厚度、流体表面张力系数以及液滴初始高度对传热流动的影响。结果发现,根据液滴撞击后液膜表面的热流密度分布特点,受撞击影响的液膜表面可划分为三个区域,分别为:撞击区、过渡区和静态区,在液滴撞击的影响下,强制对流成为了撞击区内主要的传热机制;增大液滴的初始撞击速度和减小液膜无量纲厚度都会增强热量传递。随着液滴初始撞击速度的增加,冲击引起的扰动增强,在动量和能量共同作用下,平均热流密度明显增大,撞击区因射流形成冠状水花的现象越明显。无量纲液膜厚度越小,平均热流密度越大,且会有更长的时间保持较高水平热流密度的换热过程。表面张力系数对液滴撞击早期的传热影响较小,撞击中后期,表面张力系数越大,相同时刻液膜表面平均热流密度越小,平均温度越大,冠状水花的形变程度与卷吸效应越小。液滴初始高度影响了撞击初始阶段的热流变化趋势,但对液膜表面的平均热流密度的整体演变过程具有较小的影响。在喷淋冷却等过程中,液滴可能撞击具有不同倾斜角度得固/液体表面,液膜除了受到液滴撞击影响,同时由于斜向重力加速度分量的影响而产生一定的流动,其流动传热过程更为复杂和难以预测,因此就液滴撞击倾斜液膜的过程进行界面追踪方法数值模拟,探究液膜倾斜角度、液滴初始撞击速度、液膜无量纲厚度以及重力加速度等对流动与传热特性具有重要的现实意义。研究发现:液滴撞击时向下游液膜传递了更多的碰撞能量,以至下游流体射流向外传播得更快,且热流密度值呈现明显的非对称式分布,下游区域传热强化效果要大于上游区域;较小的倾斜角度更有利于撞击过程的整体地换热强化,更大的倾角导致初始阶段液膜表面平均热流密度降低持续的时间更长;较大的撞击速度更有利于增强换热,且在撞击过程的前中阶段,传热强化效果最为明显;较小的无量纲液膜厚度更有利于传热,且较高水平的平均热流密度持续时间更长。但厚度更大的液膜,其流动性更好,液膜表面的平均温度更小;重力加速度越大,相同的无量纲时刻,对应的液膜表面平均热流密度值越大,且重力加速度越大在液滴撞击液膜的中后阶段,强化换热增强效果越明显。
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