文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123043
棘齿形表面液滴膜沸腾自输运模型及分析
郭永献1,2,梁世强1,陈伟1,成克用1
(,北京 100190;
,陕西西安 710071;)
(Tel:010-85243146 Email:guoyongxian@)
摘要:通过对较大尺寸非对称棘齿形表面膜沸腾自输运的液滴进行力学分析,建立了液滴受力模型并通过计算得到液滴受力以及最终运动速度随表面工况的关系。分析认为汽膜产生的拖曳动力是使液滴产生高速运动的原因,但其产生的粘滞阻力是阻碍液滴速度进一步提高的主要因素。液滴的运动速度随其直径、棘齿高度和表面温度的增大而减小,随表观接触角的增大而增大。
关键词:液滴;膜沸腾;棘齿形表面;自输运
0 前言
人们对如何实现流体的自输运功能一直保持着浓厚的兴趣,由于不需要外力驱使,流体自输运设备有望广泛应用于凝结换热强化技术、微流体机械技术以及生物工程中,由此人们思索出许多能够实现流体自输运的方法,如基于Marangoni效应的热毛细迁移[1]、由化学梯度[2]、温度梯度[3]、电场梯度[4]以及表面振动[5]等因素引起的液滴在固体表面上的运动等,然而上述方法均无法实现大体积流体的远距离快速传输。Linke等人[6]开创性地设计出了基于棘齿形表面膜沸腾的液滴自输运系统,可以实现大液滴高速自输运,液滴运动速度可达每秒十几甚至数十厘米,引起了人们广泛的兴趣。然而当前关于这种现象的研究多为实验研究,对液滴的运动机理及运动过程的认识尚未完全清晰,本文拟通过对棘齿形表面膜沸腾自输运的液滴进行力学分析并建立运动模型,以期对这一现象进行深入理解。
1 棘齿形表面液滴膜沸腾自输运现象
由沸腾模式可知,当加热面温度超过Leidenfrost点时,液滴与加热表面间将形成一层稳定的蒸汽膜,其上的液滴将会处于膜态沸腾状态,如图1所示。
图1 膜沸腾液滴示意图图2 棘齿表面液滴膜沸腾自输运示意图
Linke等人[6]据此现象设计出棘齿形表面,当滴落在其上的液滴处于膜沸腾状态时,由于
棘齿形表面形貌的不对称性以及液滴与棘齿表面间汽膜的存在,液滴处于受力不平衡状态,因此会在棘齿形表面上开始运动,如图2所示。液滴将沿图2所示的速度方向运动,在高加速过程后其输运稳定速度可以达到十几甚至数十厘米每秒。尽管这一现象已经广为人们所熟悉,但到目前为止仍然没有建立可信的运动模型。
2棘齿形表面膜沸腾液滴受力模型
a 液滴受力示意图
b 较大棘齿时气流示意图
c微形棘齿时气流示意图
图3 液滴受力及汽流示意图
本文分析的棘齿形表面为水平放置,并将液滴等效为球体的一部分,图3(a)所示为液滴在棘齿形表面上处于膜沸腾运动速度为v时的受力示意图。其中m为液滴质量,g为重力加速度,θ和r分别为液滴的等效表观接触角和等效半径,H为液滴的高度,ε和λ分别为棘齿的高度和周期长度,α为棘齿倾角,且有tgα=ε/λ。f为液滴运动过程中受到的阻力,且有f=f1+f2,其中f1为液滴运动过程中的空气阻力,f2为棘齿高度ε的存在引起的阻力,F1和F2分别为汽膜对液滴的支撑力和水平动力,其中F2是由于汽膜内存在的气流流动对液滴产生的拖曳力。
根据文献[5]和[