低压蒸气环境中固着液滴蒸发的数值模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要 固着液滴的蒸发过程广泛存在于农业、工业、航空航天以及医学等多个领域， 是一个包含了流体流动、传热传质、相变和接触线动力学等问题的复杂物理过程。 固着液滴蒸发过程中高效的热质输运特性在很多科技领域中都具有广阔的应用前 景，如喷墨打印、疾病检测、喷雾冷却、DNA分子的拉伸和映射等。目前已存在 大量有关固着液滴蒸发过程的基础研究，但大部分都只关注空气中固着液滴的蒸 发过程，而对低压纯蒸气环境下固着液滴的蒸发鲜少涉及，因此仍有许多关于纯 蒸气中固着液滴蒸发的问题亟待研究和解决。为此，本文针对纯蒸气中固着水滴 和乙醇液滴的蒸发过程分别进行了数值模拟，获得了不同蒸发条件下液滴内部物 理量场的演变和蒸发强度的变化规律。主要结论如下 (1) 当水滴在纯水蒸气环境中蒸发时，基底温度的提升会使液滴表面蒸发加 剧，Marangoni对流增强。随着基底温度的升高，液滴内部流动发生转变，由双涡 胞变化为四涡胞，再转变为双涡胞。表面温度分布会从对称的环状转变为花瓣状 和锯齿状。固着水滴中的Marangoni流动随着接触角的增加而增大，但是表面蒸发 速率在接触角增加时表现出先升高、后下降的趋势。液滴表面蒸发速率随蒸气压 力的降低而逐渐增加，同时内部Marangoni流动增强。随着压力的降低，Marangoni 流动不稳定性增加，液滴流动发生转变，表面温度由环状变化为三胞状分布。 (2) 对于固着乙醇液滴的蒸发过程，基底温度增加的过程中液滴表面温度分布 和流动经历由环状分布到花瓣状分布的转变，基底温度继续增大时，液滴内部流 动发生失稳，形成周期性振荡流动。液滴表面蒸发速率在基底温度较低时随接触 角升高而增大，在基底温度较高时则呈现先增大、后减小的趋势。蒸发速率随蒸 气压力的变化规律与水滴相同，当蒸气压力降低时，蒸发速率逐渐增大，Marangoni 流动增强。此外，乙醇液滴在压力低于饱和蒸气压时流动会失稳，形成周期性流 动，且随着蒸气压力的降低，振荡周期缩短，振荡幅度增大。 关键词：固着液滴；纯蒸气；蒸发；低压；数值模拟 I 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 Abstract The evaporation process of sessile droplets is widely existed in many fields such as agriculture, industry, aerospace and medicine. It is a complex physical process involving fluid flow, heat transfer, phase change and contact line dynamics. Efficient heat and mass transport characteristics in the process of sessile droplet evaporation have great application prospects in the fields of science and technology, such as ink-jet printing, disease diagnose, spray cooling, stretching and mapping of DNA molecules, etc. To the best of our knowledge, there are many basic researches on the process of sessile droplet evaporation. However, most of them focus on the evaporation process of the sessile droplets in the open ai