犬舌仿生表面液膜流动及蒸发传热性能研究

【摘要】液膜蒸发传热是近些年发展起来的一种高效传热技术，它具有小流量、小温差、传热传质系数高、结构简单且动力消耗小等独特优点，其在传统工业领域及高新技术领域中的强化传热方面受到了突出关注。本文针对液膜蒸发传热的特点，开展了犬舌舌背的微结构表面的仿生研究。在获取形貌及其参数尺寸的基础上，提出了一种新型仿生微尺度结构表面。应用数值模拟与试验研究相结合的方法，研究了液膜在仿生表面上的流动行为以及蒸发传热性能。首先，应用激光扫描共聚焦显微镜以及正立式显微镜对犬舌表面微结构特征进行了观察与测量，从而对生物表面的特征信息进行了提取和优化，并以此为依据建立仿生表面的物理模型，根据所建立的物理模型加工出了仿生表面试验样件。其次，应用数值模拟，将其与光滑表面的流动进行对比，分析了仿生微结构单元体对液膜流动的影响。在相同时间内，液膜在仿生表面上流动整体距离略小于光滑表面，其原因为仿生微结构单元体的存在阻碍了液膜的流动，使得在流动方向上流过仿生微结构单元体的液膜要比流过光滑表面的液膜速度慢。液膜在仿生表面上流动时，在液膜下游会形成规律的强烈扰动，同时，由于液膜对仿生微结构单元体的迎流面的冲击，使得液膜产生反方向的波纹扰动，并随着时间变化，这种波纹扰动向上游逐渐铺展。由于仿生微结构单元体前后错位且相互搭接的排列方式，使得液膜在前排微结构单元体上形成的扰动在未消退前与后一排微结构错位接触，这种反复的对液膜底层边界层的扰动，在微结构后方形成涡流，促进了液膜的传热传质效果。再次，应用数值模拟分析了液膜在仿生表面的蒸发传热性能，对比了不同表面结构及不同单元体排布方式的表面对表面传热性能的影响，初步揭示了液膜在仿生表面蒸发传热的机理。由于仿生微结构单元体的存在，不仅增大了传热面积，也对液膜的流动产生了明显的扰动，强化了传热，并且随着时间的变化，这种促进作用越来越明显。同时，随着水蒸气的增加，气液产生的对流也在一定程度上促进了传热。最后，开展了液膜在仿生表面和光滑表面的蒸发传热试验，测量了仿生表面和光滑表面的液膜侧蒸发传热系数，通过对两种表面液膜侧蒸发传热系数的对比，分析了温度、流量和表面结构对液膜蒸发传热的影响。结果表明，在相同流量和温度下，仿生表面的液膜蒸发传热系数比光滑表面的液膜蒸发传热系数最多增加17.3%。
【作者】康芷铭；
【导师】张成春；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】仿生表面；液膜流动；液膜蒸发；传热性能；

【参考文献】
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