高温高压环境下光滑不锈钢表面固着水滴的蒸发动力学研究
固体液滴蒸发是一个复杂的物理过程,包括界面传热传质、相变和内部流动。它广泛存在于工业、农业、生物医学等领域。从热力学角度来看,温度和压力是影响固定液滴蒸发行为的两个关键环境因素,但这两个参数对固定液滴蒸发动力学的影响在文献中并不完善,尤其是高温高压环境下金属表面固定液滴蒸发过程的研究尚未见报道。有鉴于此,通过实验手段观察了固定水滴在压力下的蒸发行为,并探讨了温度和压力对蒸发动力学特性的影响。本文的实验研究是在台中的一个带有观察窗的压力容器实验中进行的。容器中的高压大气为氮气。实验中控制的最大压力和温度分别为2MPa和202.4MPa。为了集中研究热力学因素,通过研磨抛光法,在平均粗糙度制备了一块只有2个nm的镜面光滑304不锈钢板作为实验表面,以尽可能消除表面粗糙度的影响。固定水滴的蒸发过程由光学相机记录,照片由自主开发的水滴参数自动测量软件自动后处理,从而获得几个关键水滴参数(如蒸发过程中液滴体积、扩散半径和接触角)随时间的变化。在对水滴参数进行归一化分析的基础上,重点研究了温度、压力和温度对光滑不锈钢表面固定水滴蒸发模式和蒸发速率的影响。结果表明,环境温度和压力对固定水滴的蒸发模式有显著影响。在实验温度不变的情况下,在蒸发的恒定阶段,压力的增加会逐渐减小水滴的接触半径。相反,在实验压力不变的情况下,在水滴蒸发的恒定阶段,温度的升高会增加接触半径的比例。不同的蒸发模式可归因于水滴在光滑不锈钢表面上的钉扎能力不同。结合过冷度的蒸发实验,还发现温度对蒸发模式的影响是主要的。此外,实验中还观察到了水滴在蒸发模式转变过程中的“粘-跳”现象,可以作为恒接触半径阶段结束、蒸发模式转变为恒接触角模式的过渡标志。当出现粘-跳现象时,气液固三相接触线突然收缩,接触线周长减小,接触线处蒸发通量最大。因此,收缩后的接触线,蒸发速率暂时降低,水滴蒸发稳定,因此呈现恒定接触角模式。本文比较了恒过冷度、恒温和恒压三种实验条件下固定水滴的蒸发率。结果表明,当过冷度保持不变时,水滴的蒸发速率随压力的增加几乎呈线性增加。当温度保持100恒定时,蒸发率随压力的增加呈对数下降,而当压力保持1MPa恒定时,蒸发率随温度的增加而增加。根据经典的Popov蒸发率理论,计算了蒸发率,并与实验数据进行了比较,分析了环境温度和压力对水汽浓度、水汽饱和浓度等重要参数的影响。综上所述,本文利用高温高压可视化试验台研究了温度和压力对固定水滴在光滑不锈钢表面蒸发过程的影响,并通过编译图像实现了大量连续水滴参数的快速自动采集。本文的研究成果对固定水滴蒸发的实际应用具有一定的指导意义,在一定程度上弥补了现有水滴蒸发研究在温度和压力两个关键环境因素影响下的不足,为进一步的水滴蒸发研究提供了参考数据。