学术报告
研究作者、机构与发表信息
本研究题为“连续液滴撞击热壁面传热特性的研究”，由天津商业大学机械工程学院和天津市制冷技术重点实验室的董凡琦、苏新军以及商彤完成。文章发表于2023年第42卷第3期的《节能》（Energy Conservation）期刊，文章编号：1004-7948（2023）03-0030-04。研究旨在深化对连续液滴撞击加热壁面的传热特性的理解，并探索液滴撞击速度和热壁面换热方式对传热密度的影响。
研究背景与目的
液滴撞击热壁面的传热特性在提升固体表面换热效率、特别是在喷淋冷却领域中具有重要意义。随着实验条件的现代化，该研究得到了广泛关注，应用范围包括降膜蒸发换热器、航空航天技术及环境工程等。液滴撞击壁面过程涉及液滴铺展、反弹、飞溅等动力学行为，这些行为对换热效率有显著影响。
现有文献重点研究了单液滴、双液滴在高温固体壁面上的运动行为。然而，在工业实际应用中，更常见的是多个连续液滴在加热壁面上的撞击与换热过程，其热力学与动力学行为远比单液滴或双液滴复杂。本研究通过实验，系统探讨连续液滴在不同热壁面温度和撞击速度下的传热特性，旨在揭示液滴与热壁面之间的换热规律，为相关工业应用提供理论指导。
实验方法与流程
本研究通过实验方法，考察了不同液滴撞击速度和热壁面换热方式对铜板热流密度变化的影响。实验所使用的流体为去离子水，实验材料包括八滴相同体积（30 μL）的去离子水液滴与加热铜板。实验流程和数据处理方法如下：
实验装置
实验设备包括液滴生成系统、加热系统和数据采集系统： 1. 液滴生成系统：主要包括DSA100液滴形状分析仪、计算机和高精度微型注射器，用于控制液滴体积与碰撞速度。 2. 加热系统：由铸铝加热板电加热器、热电偶和铜板组成。热电偶用来监测和维持加热铜板的表面温度，实验设定温度分别为60℃（膜状蒸发）和110℃（核态沸腾）。 3. 数据采集系统：主要使用横河无纸化记录仪（GP10）和热阻式热流密度传感器，实时记录热流密度数据。
实验流程
液滴设置与条件设定：
- 去离子水液滴直径约为2.8 mm。
- 撞击速度设置为0.63 m/s、0.77 m/s、0.89 m/s和0.99 m/s。
- 热壁面的两种换热方式分别为膜状蒸发（60℃）和核态沸腾（110℃）。
实验步骤：
- 铜板加热至目标温度后，采用频率为15滴/分钟的液滴连续撞击铜板表面。
- 实验分阶段记录两个换热阶段中铜板的热流密度随时间和液滴数量的变化。
数据处理与分析：
- 数据采集通过傅里叶导热公式计算热流密度，测量的公式为： $$ q = -\lambda (δT/δδ) $$ 其中，热流密度 (q) 单位为 J/(s·m²)。
- 假设的热流计系数 (ks = 0.573 (μV·m²)/W)，用于进一步简化计算过程，公式转化为： $$ q = -U/ks $$
研究结果与分析
实验结果分膜状蒸发和核态沸腾两类换热方式进行分析，着重考察连续液滴撞击热壁面的热流密度规律。
1. 膜状蒸发（表面温度为60℃）
- 热流密度随时间变化：液滴撞击过程分为两个阶段。
- 第一阶段：液滴铺展阶段，去离子水液滴在撞击热铜板后铺展至最大直径，接触面积增大；热壁面与液滴发生强烈热交换，热流密度迅速增加。
- 第二阶段：液滴弛豫和平衡阶段，液滴因表面张力回缩后逐渐达到稳定状态，热流密度上下波动并趋于平稳。
- 热流密度随速度变化：液滴撞击速度越快，其动能、接触面积与热交换效率越高，从而铜板表面最大热流密度值逐渐增大。
2. 核态沸腾（表面温度为110℃）
- 热流密度随时间变化：相较膜状蒸发，核态沸腾中的热流密度值总体更大。当第一滴液滴到达铜板表面时，由于瞬时沸腾现象，热流密度迅速跃升，而后因蒸发完成迅速归零。
- 热流密度随速度变化：当速度在0.89 m/s以下时，热流密度随速度增大而增加；而速度大于0.89 m/s时，过快的撞击使液滴迅速铺展，二次换热效率下降，导致热流密度减小。
3. 换热方式对传热效率的影响
在相同速度下（0.89 m/s），铜板热流密度在核态沸腾条件明显高于膜状蒸发。这显示出核态沸腾的换热效率显著更优。
结论与意义
主要结论：
- 膜状蒸发方式下，液滴撞击速度增大会显著提高表面热流密度。
- 核态沸腾条件中的热流密度更高，但存在速度阈值（0.89 m/s），在高于该值后热流密度反而下降。
- 改变换热方式能有效提升液滴撞击热壁面传热效率。
科学与工业应用价值：
- 科学价值：本研究深化了液滴在高温壁面上的动力学行为及热交换机制，为液滴传热模型提供了实验依据。
- 工业意义：该研究成果可广泛应用于喷淋冷却、电子散热等高效能换热设备中，具有指导性的实际应用价值。
研究亮点与创新性
- 研究对象：首次针对连续液滴撞击热壁面进行系统研究，填补了多个液滴传热领域的研究空白。
- 实验装置与方法：自主设计的热流密度传感数据采集方法，为后续研究提供了可靠技术参考。
- 主要发现：发现了液滴撞击速度与热壁面温度的非线性关系，为优化喷淋换热技术提供了新视角。
参考文献部分备注
研究引用了包括《工程热物理学报》和《天津大学学报》等多篇相关文献，支撑了实验设计与理论分析，为研究的可靠性提供支持。