高壓流體毛細特性及影響因素的實驗研究.pdf

1、自蒙特利爾議定書簽訂以來，以CFCs和HCFCs作制冷劑的制冷界面臨著嚴重的挑戰(zhàn)，目前推出的包括R134a在內的HFCs及其混合物，不能夠滿足長期替代的要求，二氧化碳因具有良好的熱力性能和環(huán)保特性逐漸受到了重視。太空也開始嘗試采用二氧化碳為工質的冷卻循環(huán)。 太空由于重力接近于零，毛細力起著重要的作用，因此在空間熱控系統(tǒng)中，毛細特性的研究至關重要。本文研制了一種可視化的高壓釜，并與之配套搭建了完整的溫度控制、圖像采集、數據采集等，

2、組成了一個實驗平臺，可以進行二氧化碳等高壓流體的毛細特性研究。本文對高壓流體在其氣液相平衡狀態(tài)下毛細特性分別進行了靜態(tài)與動態(tài)實驗研究，實驗對象是二氧化碳。 依據實驗平臺，本文首先進行了二氧化碳與316L不銹鋼表面的浸澗性研究。本文使用兩種不同的方法進行了接觸角測量，一種是間接法，測量液體在兩塊不銹鋼片之間的上升高度，根據上升高度計算出接觸角的大小。實驗結果展示兩個不同寬度狹縫計算得到的接觸角數據結果基本相同。使用間接法測量得到的

3、接觸角是后退角，為了全面衡量二氧化碳液體的浸潤性及驗證間接法測量結果的準確性，本文使用下垂液滴法進行接觸角測量。垂滴法屬于直接測量接觸角的方法，利用外部冷源在氣液兩相蒸氣中冷凝液滴，使用圖像采集系統(tǒng)對液滴下落過程進行監(jiān)控與圖像采集，然后利用三次樣條分析法對液滴圖片分析得到前進角與后退角大小。實驗結果表明下垂液滴法測量得到的后退角與平板法測得的接觸角非常近似。由兩種測量接觸角方法得到的結果看出，二氧化碳與不銹鋼的接觸角非常小，這說明二氧化

4、碳對不銹鋼表面的浸潤性非常好。同時實驗結果表明液滴的接觸角隨溫度的降低而逐漸升高，說明隨溫度降低，二氧化碳的浸潤性變差。 本文還對二氧化碳在不銹鋼絲網毛細上升進行了實驗研究，實驗在密封的壓力容器中進行，所有的實驗都是在各個實驗點溫度和壓力達到穩(wěn)態(tài)并且是處于二氧化碳的氣液相平衡的條件下進行的。方法是通過觀察液體二氧化碳在毛細絲網的不同時刻的上升高度進行毛細特性的靜力學與動力學分析。靜力學分析是當液體在絲網上升到最高點時，毛細力與重

5、力達到平衡狀念，通過公式就可以得到各個實驗絲網的當量毛細半徑。在二氧化碳的毛細動態(tài)特性的研究中，采用的研究方法是首先節(jié)流降溫使液體在絲網中蒸發(fā)，然后觀察并記錄在不同時刻，液念二氧化碳在絲網的上升高度。實驗結果表明，完全考慮重力作用的方程與實驗的結果吻合性非常好。說明在地面實驗中，重力是一個非常重要的量，它起到平衡毛細力的作用。在進行絲網的動態(tài)特性描述中，滲透率K是一個重要的概念，它描述了液體在絲網中的滲透作用，代表了絲網的結構對毛細動態(tài)

6、特性的影響。分析表明，使用平紋網的滲透率的計算方法得不到密紋網的滲透率，因此必須依靠實驗的方法。本文實驗測量了四種不同規(guī)格的不銹鋼密紋網，并分別得到了各個絲網滲透率的值。在本文的最后對表面的浸潤性及毛細動態(tài)特性進行了分析，指出了影響毛細上升速度的時間常數，分析了在不同溫度不同目數絲網的時間常數變化對上升速度衰減的影響。結合單層絲網的實驗數據理論計算了二氧化碳液體在多層絲網中的動態(tài)特性。文章還分析了當毛細結構的一端有熱量輸入時液體在毛細結