| 蒸发液滴界面效应与热质传输耦合机理研究 |
| 英文题名 | Investigation of the coupling mechanism of interfacial dynamics and thermodynamics in evaporating droplet
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| 陈雪
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| 导师 | 刘秋生
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| 2017
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 流体力学
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| 摘要 | 液滴蒸发是自然界中普遍存在的现象，广泛应用于微机电系统、空间热能系统、生物医学等诸多学科领域。本文以两相流系统的应用技术与基础科学研究为背景，依托中国科学院空间科学战略性先导科技专项“实践十号”卫星空间蒸发对流项目和我国首艘货运飞船“天舟一号”空间蒸发冷凝科学实验项目，来解决空间微重力环境中蒸发相变流体界面流动与热质传输特殊规律。以蒸发液滴为典型模型定量研究和认识相变过程中的热质传输机理，分析蒸发效应和Marangoni效应驱动的液滴的对流不稳定特性，探究重力变化对液滴蒸发及其相变传热特性的影响。本论文以附着在固体底板上的液滴为主要研究对象，从蒸发液滴相变传热基本问题入手，结合国内外学科发展前沿，开展系统的实验研究与模型化研究，揭示复杂相变界面流体的热力学-界面动力学耦合机理。 实验研究方面，设计并搭建了液滴蒸发多参数测量和多场观测实验系统，开展空间科学实验的地基预先研究，为后续空间两相流科学实验平台的研制打下良好基础。以不同的流体工质作为实验液体，观测了附壁液滴蒸发过程中的热质传输耦合机理。利用红外热成像技术观测了液滴的对流不稳定，发现了液滴在自由蒸发过程中出现的两种对流涡胞结构：热液波HTWs和Rayleigh-B\'{e}rnard对流涡胞，并从尺度效应的角度探究了液滴中所出现的四种模式的涡胞结构及其演化规律。为了研究界面效应对液滴蒸发的影响，首次开展准静态的液滴蒸发实验，观测到了液滴内对流涡胞逐渐消失的过程，表明界面的恒定使得液滴内部的对流趋向稳定。在界面动力学方面，针对液滴在固体表面的热毛细迁移的行为开展实验研究和理论分析。 模型化研究方面，基于ALE方法建立了液滴蒸发多场耦合的二维轴对称数学物理模型，考虑气-液-固三相间的相互作用。从不同物理机制对液滴蒸发的影响的角度分析了液滴的热质传输耦合机理，数值模拟了由Marangoni效应引起的液滴内部流动特性的演化规律：由向内流动转变为多涡胞结构，最终流动转向。利用RSM和SSA的方法数值研究了底板热物性参数及其耦合效应对Marangoni流动的影响规律，结合统计建模的方法预测液滴内部的流动特性及估计未知的输入参数。此外，针对SJ10液滴蒸发空间实验的典型工况，开展空间和地基实验的数值分析，研究液滴在微重力和常重力环境下的热质传输规律及内部流动特性，揭示重力变化对蒸发传热传质过程的影响，为空间相变传热设备的研制和后续空间实验方案设计提供理论依据。 |
| 索取号 | Phd2017-003
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/60385
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| 专题 | 微重力重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
陈雪. 蒸发液滴界面效应与热质传输耦合机理研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2017.
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