1.1 课题来源

    课题来源于广东省科技计划项目-国际科技合作领域“电场作用下固着液滴蒸发特性和热质传输机制研究”（No.2022A0505050004）。

1.2 课题背景

    强化液体燃料的液滴蒸发是实现喷雾燃烧设备高效运行的关键，采用外加电场可有效控制液滴的蒸发和燃烧过程。探究电场作用下固着液滴蒸发机理是进一步实现液体燃料高效燃烧的基础。本课题着重针对电场强化液滴蒸发过程的传热过程及强化机理进行研究，可为电场强化液滴传热技术的在液体喷雾燃烧以及其他相关领域的应用和发展提供有效的指导作用。

 

2、 研究目的与意义

    本研究通过外加电场对固着液滴形态、蒸发以及传热传质进行调控，将实现以下目的：

（1）探究电场作用下液滴蒸发模式的转变规律，揭示电场作用下液滴形态随时间演化的理论关系式。

（2）发展基于电场、温度场、流场以及蒸气浓度场多场耦合作用下的液滴蒸发行为预测模型，研究电场作用下基板加热固着液滴蒸发过程的热质耦合传输机制。

（3）分析不同基板表面特征下的液滴形态变化行为规律以及蒸发机制，实现基板表面微结构和电场对强化液滴蒸发速率的协同调控机制。

    可为电场强化液滴传热技术在液体喷雾燃烧以及其他相关领域的应用和发展提供有效的指导作用。

 

3、 主要论点与论据

（1）均匀电场抑制固着液滴蒸发速率

    在均匀电场中，由于液滴表面电荷的重新分布，液滴受到向上拉伸的电场力，导致液滴高度的增加，接触直径轻微收缩。一方面，均匀电场拉伸液滴，增大传热热阻。另一方面，接触面积的减少导致液滴接收的总热量减少。通过构建格子Boltzmann模型，分析了液滴在均匀电场作用下的内部流动与传热特性。三相线附近蒸气在电场作用下沿液滴表面向上扩散，导致液滴附近蒸气浓度增大。因此，在不考虑温度场的情况下，均匀电场抑制了液滴蒸发。

（2）非均匀电场强化了液滴蒸发速率

    在非均匀电场作用下，由于针电极附近空气被电离，会形成离子风效应，在离子风的剪切作用下，液滴会呈现压扁状态，即：液滴高度减小、接触面积增大、接触角减小。此外，强烈的离子风会导致液滴振荡，破坏液滴表面的蒸气层，导致液滴与周围空气之间浓度梯度增加。当耦合电场与温度场，液滴蒸发速率将得到极大的提高，蒸发速率最大可提高29.34倍。通过构建格子Boltzmann模型，分析了液滴在非均匀电场作用下的内部流动与传热特性。在非均匀电场作用下，液滴内部流动方向由液滴顶点位置沿着界面向三相接触线附近流动，促进液滴向外扩展。因此，非均匀电场强化了液滴蒸发速率。

（3）微结构基面与电场协同作用下可进一步调控液滴蒸发速率

    研究了表面微结构与电场协同作用下液滴蒸发速率调控机制。结果发现，不同基面上液滴对于电场的响应不同。在平面上，由于液滴被拉伸，传热热阻增大，且接触直径减小，液滴蒸发速率随着电场增大而减小。在直槽结构表面上液滴蒸发时间随电场呈现先上升再下降的趋势，由于液滴振荡，液滴表面的蒸汽层被破坏，导致液滴蒸发速率逐渐提高。但是平面和直槽结构上的液滴蒸发速率随着电场的加入，表现抑制的特性，与之不同的是，其余三种微结构表面上的液滴蒸发速率均受到电场的增强。其中，圆柱结构表面上的液滴蒸发增强最明显，蒸发速率最高增强了13.91%。综上，圆柱结构将最有利于增强液滴蒸发速率。

 

4、 创见与创新

    理论研究了电场作用下液滴形态变化规律，实验分析了液滴蒸发过程中的液滴形态随时间演化及电场、温度场以及基面微结构对液滴蒸发速率的影响，通过构建格子Boltzmann模型数值研究了液滴内部Marangoni流以及传热特性。主要创新点如下：

（1）基于理论分析建立了固着液滴在电场作用下蒸发模式转变预测模型。

（2）基于多尺度模拟以及多场耦合揭示了电场中固着液滴的热质传输机制。

（3）提出了电场和基板表面微结构对固着液滴蒸发过程的协同调控方法。

 

5、 社会经济效益

（1）对学科/行业产生的重要影响

通过对电场辅助固着液滴蒸发特性及热质传输的研究，分析了调控液滴蒸发速率的方案，解析了液滴几何形态随时间的演化规律及蒸发模式的转变，揭示了液滴内部流动及传热机理，促进了动力工程及工程热物理学科发展。利用电场调控液滴蒸发的方法将促进液体燃料燃烧、微电子器件高效冷却以及散热调控等行业的发展，提高能源利用效率，促进电子元器件高效稳定运行等。培养了一批专业人才，为社会发展提供人才支撑和创新动力。

（2）对社会民生、生态环境、国家安全等的作用

本项目成果将进一步强化液滴蒸发的可调控性，为产业发展、学科建设等提供新方向。该方法的应用，可有效提高液体燃料的蒸发速率，促进能源有效利用，减少燃烧污染物排放，有利于生态环境建设。方法应用于微电子器件的高效冷却及散热调控，可提高电子器件高效运行，保障大数据服务器等关系到国家安全的行业关键设备可靠运行。