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摘 要

本实验通过高速成像系统对疏水性微通道内不同乙醇质量分数的乙醇-水混合物的冷凝流动模式进行了实验研究。比较和讨论了通道表面润湿性和乙醇浓度对流动凝结的影响。实验结果表明，表面疏水改性和乙醇浓度对混合物在微通道中的流动冷凝起着重要作用。如果水蒸汽是主要的成分，液滴凝结几乎出现在整个在两相流区域中的整个通道表面，其中珠状流、珠状-条状流、珠状-环状流、珠状-喷射流和珠状-弹状/泡沫流沿着微通道顺序发生。随着乙醇浓度的增加，在微通道的末端珠状流逐渐消失，仅仅留下了弹状/泡沫流。当乙醇蒸气是主要成分，珠状流彻底从整个流型演化中消失殆尽，条形流，环状-条状流，环状流，喷射流，弹状/泡沫流沿流动顺序出现。喷射流无量纲位置随着雷诺数的增加而增大，并且当雷诺数相同时，喷射流无量纲位置随着乙醇浓度的增大而增大，这是因为乙醇蒸气的凝结潜热远小于水蒸汽的凝结潜热，当乙醇质量浓度较大时，混合蒸汽在凝结过程中潜热释放减少。另外，降低微通道表面自由能，有利于混合蒸汽在流动冷凝过程中形成珠状凝结，有利于强化传热。

关键词：冷凝、可视化、微通道

ABSTRACT

The condensation flow patterns of ethanol–water mixture in a wide range of ethanol mass concentration inside a hydrophobic microchannel is experimentally studied via a high speed imaging system. The effects of channel surface wettability and ethanol concentration on flow condensation are compared and discussed. The experimental results indicate that the surface hydrophobic modification and ethanol concentration play a significant role in the flow condensation of mixture in a microchannel. The droplet condensation appears almost the whole two-phase flow region when the water steam is the main component, in which the droplet flow, droplet-streak flow, droplet-annular flow, droplet-injection flow and droplet-slug/bubble flow occur sequentially in a hydrophobic microchannel. With increasing ethanol concentration, the droplet-slug/bubble flow after droplet-injection flow disappears and is replaced by the pure slug/bubble flow. When the ethanol vapor is the main component, the droplet condensation almost disappears, and the annular-streak flow, annular flow, injection flow and slug/bubble flow appear sequentially along the flow direction. Both an increase in vapor Reynolds number and a decrease in ethanol concentration cause the injection location move toward the channel outlet. In addition, the surface hydrophobic modification introduces the droplet condensation, which is beneficial for the flow condensation heat transfer.

Key words: condensation, visualization, microchannel

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

1.绪论 1

1.1背景 1

1.2冷凝基础知识 1

1.2.1滴状冷凝 1

1.2.2润湿和接触角 1

1.2.3液滴成形 3

1.2.4单滴传热模型 5

1.3滴状冷凝强化 6

1.4成像技术 8

1.5微通道中的冷凝 8

2.实验系统和方法 10

2.1实验系统 10

2.1.1深反应离子刻蚀(DRIE) 11

2.1.2 Pyrex玻璃和阳极键合工艺 12

2.1.3疏水处理 12

2.1.4接触角测量 12

2.2实验方法 12

3.实验结果和讨论 14

4.总结 20

5.致谢 21

6.参考文献 22

1.绪论

1. 背景

冷凝在自然界中无处不在，蒸汽-液体相变现象已广泛应用于各种工业应用中，包括发电，海水淡化和处理，集水，空调以及电子产品的热管理。对于这些应用中的许多应用，冷凝传热的增强有望大大节省能源和自然资源。

蒸汽冷凝传热是广泛存在于能源动力、航空航天等工程领域，是热力发电、海水淡化、电子器件热管理、空间热控等工业装置系统中的关键热物理过程。冷凝传热强化一直是传热学中的一个基本课题。现有研究表明，通过表面修饰，构建长效疏水表面，维持可靠稳定的珠状凝结无疑将是冷凝强化的一条最根本途径，其换热能力相较传统工业膜状冷凝可提高一个数量级以上。近年来，伴随相变换热器件的微小型化以及高冷凝换热负荷的工程需求，这方面的研究日益受到人们重视，现已成为工程热物理领域最活跃的前沿研究热点之一。

1. 冷凝基础知识
2. 滴状冷凝

水蒸汽优先凝结在固体表面上而不是直接在蒸汽中，因为与均匀成核相比，异质成核的活化能降低，尽管表面的多余能量通过成核速率控制异质成核过程，但它也决定了冷凝物的润湿行为，这对整体传热和传质性能具有显着影响。在高或低表面能表面上冷凝的水蒸汽分别形成液膜或不同的液滴。后者称为滴状冷凝，它产生高得多的传热系数。液滴在固体表面的冷凝伴随着动态的、复杂的液滴润湿行为。

1. 润湿和接触角

润湿指的是当同体物质与液体物质接触时，一旦形成界面，就会发生降低表面能的吸附现象，液体物质将在同体物质表面铺展开来的现象。通常用接触角来表征固体表面的润湿性强弱。当水滴附着于固体表面时，一般认为其接触处是三相接触，并将这条接触线称为“三相润湿周边 ”。在接触过程中，润湿周边可以移动，或者变大，或者缩小。当变化停止时，表明该周边三相界面的自由能已达到平衡，在此条件下，在润湿周边上任意一点处，液-气界面的切线与固-液界面切线之间的夹角称为平衡接触角，简称接触角，如图1-1，用θ表示。Young用young方程描述接触角：

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