毛细表面张力引起液体流动再湿润.pdf

第 6卷 第 4期 自然科学 进展—— 国家重点实验室通讯 1996年 7月 lc一 毛细表面张力引起的液体流动再湿润 彭晓峰 王补宣 {=)S · (清华大学热能工程景，北京 1O0O84 摘要 讨论炽热表面毛细表面张力引起的液体流动再湿润物理模型，着重舟析 多 孔表面层 内和周向微槽表面的再湿幅过程．实验研究及测试结果证实了理论分析的 结论 以及所揭示的再湿润规律乖特性 ． 传热 液啤；忽 刃 由于超薄液膜的维持存在与蒸发可 以导致极高的传热热流密度…，提供了一种很好的表 面冷却新途径．这种冷却技术在现代科技如热管热控制系统、蒸发冷凝器、强化传热装置发 展 中有着鲜 明的应用潜力 ．最近在高集成 电子元件冷却和航天热控制 中两相散热系统 中的应 用与发展 31，推动了加热表面与液膜再湿润特性的研究，特别是微、零重力场中毛细表面张 力引起 的液膜流动再湿润更为人们所关注 ．在航天热控制系统 中，在微 、零重力场 中的液体 流动多为毛细力 的作用所 引发 ．研究这种毛细表面张力 引起 的液体流动再湿润现象，正是顺 应航天热控技术的必威体育精装版发展及超高集成 电子元器件冷却要求而积极开展起来的，文献 中却很 少见到毛细流动再湿润研究的正式报道 ．Saeed和 Peterson~1的综述 中指 出，干涸后炽热表面 的再湿润问题原先主要针对核反应堆失水事故的安全性分析 的需要提 出并进行研究的．这些 研究虽然提供了不少实验数据，有效地认识了某些基本特性 ，但远未能认清机理，由实验结果 得到的结论有时截然相反 ．最近，Peng和 Peterson等 提 出了考虑加热平板再湿润前 沿液 体蒸发的物理模型，从理论上分析了再湿润过程，并 由此澄清一些模糊的概念 ．在此基础上 Peng和 Peterson等 又针对不 同情况下毛细表面张力引起 的流动再湿润进行 了分析 与实 验考察 ，包括薄液膜 的流动，其中对周 向微槽 内的毛细流动再湿润分析与实验ll f，已直接为 美 国航天热控制用热管及散热系统 的设计提供 了理论依据_1 ．也探讨 了轨道上加速 飞行时 加速度对再湿润的影 响l1日． 表面张力引起 的毛细流动， 及相应 的再湿润是十分复杂 的耦 台过程 ，本质上是瞬态 的， 具有非平衡特性 ．本文将系统地讨论这种液膜流动再湿润的分析方法与特性 ． 1 液膜流动的数学描述 炽热表面液膜流动再湿润与液膜流动特性密切相关 ～．在毛细作用下而且没有其它驱动 [994—09—09收稿 ，[995—0一【06收修改稿 国家 自然科学基 金及霍英东基金资助项 目 412 自然科 学进 展—— 国家重 点实验室通 讯 第 6卷 力存在时，向前推进的液膜 受毛细压差 的驱动，克服 壁 面阻力 ．如果在重力场 中，还会有重力的作用 ．随着液 膜 的向前推进湿润 区及液膜长度都在变化 ．图 l示 出 水平表面上毛细表面张力驱动下 的一维液膜流动湿润 的物理图景 ．如假定特征毛细半径不变，瞌液膜层的延 伸 ．液膜层质量增大 ，作为驱动 的毛细力也不变 ．若进 崮 1 、F板分折模型 一 步假设，流动为层流，液体是Newton流体，且具有常 物性 ，则 已充 分湿润表 面的液膜层动量 关系为 2 ． ] 时间 ￡与速度 【，之 间有