摘要报告

作者与研究发表信息

本文由Jia Luo、Shuang-Ying Wu、Lan Xiao、Shi-Yao Zhou和Zhi-Li Chen共同撰写，分别隶属于重庆大学能源与动力工程学院、教育部低品位能源利用技术与系统重点实验室以及桂林理工大学环境科学与工程学院。文章发表于《International Journal of Mechanical Sciences》期刊，第233卷（2022），编号为107675，于2022年8月20日上线。

研究背景与研究目的

该研究专注于加热圆柱表面的液滴冲击沸腾传热（Transient Boiling Heat Transfer）。加热圆柱表面的喷淋冷却广泛应用于工业领域，如核反应堆燃料棒冷却、圆柱形钢制品淬火及玻璃模具冷却等。然而，大量现有研究集中于平面表面的液滴冲击传热，而针对加热圆柱表面的研究较少，特别是在高温条件下的传热机理未被深入揭示。此外，已有研究表明液滴冲击速度与壁面温度对传热性能有显著影响，但其在圆柱几何结构中的耦合作用尚未被系统探讨。本文旨在从液滴水动力学与相变传热的角度，通过实验方法揭示液滴冲击加热圆柱表面的瞬态沸腾传热机理，构建壁面温度与Weber数之间的关系图，探讨其对不同传热模式的影响，并与平面表面上的液滴冲击进行对比分析。

研究方法与实验设计

实验装置与研究流程

研究使用了一个综合实验系统，包括液滴生成系统、加热系统及数据采集系统。

1. 液滴生成系统：通过水泵、循环回路和针头设计了一个可稳定生成连续均匀液滴的装置。为稳定水位，装置设置了一个溢流回路，且对水管内可能滞留的空气进行了特殊的密封处理。

2. 加热系统：采用了精密的定位装置实现液滴冲击位置的控制，对加热圆柱表面的各个方向性进行了调节。壁面温度由恒温控制器控制并通过K型热电偶进行测量。

3. 数据采集与动态行为捕捉：采用了一台最高2000帧每秒的高速摄像机配合冷光源捕捉液滴的冲击动态行为，热电偶记录的温度数据每秒一次传输至计算机。

实验变量与参数设计

实验重点研究以下变量对传热性能的影响： - 液滴冲击速度：以不同Weber数（We=26至107）表征，模拟不同冲击动量对圆柱表面动态行为的影响。 - 壁面温度：壁面温度设置范围为373.15 K至573.15 K（对应饱和状态到高过热状态），以探讨其对传热模式的调控效应。

通过实验的壁面温度与Weber数的组合，实验总结了多个沸腾热传模式，并对Leidenfrost点的形成机制及影响因素进行了深入研究。

实验与结果分析

不同传热机制的研究

研究确认了液滴冲击加热圆柱表面时的四种主要传热机制：薄膜蒸发模式（Film Evaporation Regime）、汽泡流动沸腾模式（Nucleate Boiling Regime）、过渡态沸腾模式（Transition Boiling Regime）及薄膜沸腾模式（Film Boiling Regime）。以下为相关实验结果分析：
1. 薄膜蒸发模式： - 在较低壁面过热（Tw = 373.15 K）和低Weber数（We=26）情况下，液滴在冲击后扩展、收缩并稳定蒸发，无沸腾现象。液膜厚度较大，热传导性能有限。 - 提高冲击速度（We = 107）后，液膜变薄，固液接触面积增大，蒸发效率提升，大量热量传递到液膜气液界面。

1. 汽泡流动沸腾模式：

   • 增加壁面温度（Tw = 473.15 K），发现液滴在扩展阶段液膜内生成大量汽泡，汽泡破裂引发蒸发速率提升。喷射雾化现象增强，传热模式进入成核沸腾状态。

2. 过渡态与薄膜沸腾模式：

   • 在高壁面温度（Tw = 573.15 K）和高冲击速度（We = 107）下，液体薄膜由于汽泡的快速生成与破裂而分离成多个小液滴。这些小液滴离开加热表面并进入Leidenfrost状态（液滴与壁面被蒸汽层隔离），导致热流密度下降。

Leidenfrost点与Weber数关系

通过实验发现，与平面表面或低速冲击液滴不同，圆柱表面上提高Weber数会降低Leidenfrost点温度（Tw,l）。这一反常现象被归因于以下机制： 1. Leidenfrost状态的形成机制： - 高冲击速度导致液膜更加薄化，汽泡生成更强烈，液膜破裂更为容易。 - 在液滴扩展后期的冲击动量较小，利于蒸气压克服液滴动压，从而加速Leidenfrost状态的形成。

1. 几何结构效应：
   • 圆柱曲面更容易困住液滴冲击前沿的空气，触发Kelvin-Helmholtz不稳定性，进一步促进液膜破碎。

实验通过曲线拟合建立了Weber数与Leidenfrost点之间的定量关系：
Tw,l = 464.52 K + (-2855.68 K) × We^(-1.07)，这一经验公式与平面表面的公式显著不同。

研究结论与价值

1. 本研究首次总结了液滴冲击加热圆柱表面的四种主要沸腾传热模式，并确立了壁面温度与Weber数之间的界线图。
2. 实验结果表明提高冲击速度有可能在高温条件下降低传热效率，这与之前关于平面表面液滴冲击的研究形成对比。这一结果揭示了圆柱结构下传热行为的复杂性。
3. 提出的Leidenfrost点与Weber数关系式为后续工程应用提供了参考，尤其在高温喷淋冷却领域（如核反应堆、金属材料加工等），为优化水资源利用及提升冷却效率提供新思路。

研究亮点与启示

1. 揭示了圆柱表面上液滴冲击动态行为与传热性能的耦合机制，突破了传统平面理论的限制。
2. 明确了几何曲率对液滴动力学、蒸发和沸腾模式的共同影响，为进一步改进热力学设备提供实验依据。
3. 提供了新的理论支持与数据模型，可在工业领域进行多参数优化设计。

该研究从实验出发，结合多参数控制与传热机理揭示，为热力学与流体动力学领域的科学及应用研究都做出了重要贡献。