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微结构疏水表面防冰除冰的格子--Boltzmann模拟研究
| 论文题名： | 微结构疏水表面防冰除冰的格子--Boltzmann模拟研究 |
| 关键词： | 船舶防冰除冰;微结构表面;疏水机理;格子-Boltzmann方法 |
| 摘要： | 近年来，北极在地缘政治与能源开发领域成为世界各国关注的热点地区，为有力支撑我国极地发展战略，船舶的防冰除冰问题日益引起学者们的关注。传统的防冰除冰方法存在着能耗大、污染环境等缺点，为此学者们开展了微结构疏水表面的相关研究，在众多模拟方法中，格子-Boltzmann方法(LBM)因其独特的介观背景以及相界面捕捉优势被用于微结构疏水表面的模拟中。然而，现有的研究并未深入发掘微结构表面的疏水机理，缺少对微结构疏水表面应用于工程实际时的液滴撞击以及微结构间隙内融冰等复杂热物理问题的探索，因此本文开展微结构表面防冰除冰的格子-Boltzmann模拟研究。 本文针对上述研究不足，对微结构疏水表面上液滴的静态与动态特性以及微结构间隙内的融冰过程展开研究。首先，给出格子-Boltzmann伪势模型、焓基格子-Boltzmann模型的基本形式以及演化过程并给出外力加载模型和边界条件。其次，对微结构疏水表面上液滴静态特性进行模拟研究，从液滴的铺展与迁移两方面具体讨论，使用Gong-Chen伪势模型实现液滴在光滑表面上接触角的受控模拟并对本文模型进行验证;对光滑疏水表面上液滴的迁移运动以及微结构疏水表面上液滴的铺展进行模拟研究。在上一部分的基础上，仍选用Gong-Chen模型得到液滴撞击微结构疏水表面的动态特性，对液滴以自由下落和平抛下落两种方式撞击微结构疏水表面进行模拟研究，得到液滴撞击后的形态变化以及各类表面的动态浸润性。最后，考虑微结构间隙内结冰的极端热物理问题，建立处理固液相变的焓基格子-Boltzmann模型并验证了其正确性，在此基础上模拟得到不同瑞利数（Ra）和倾斜角度（φ)对融化过程的影响。 研究结果表明，与光滑表面相比，微结构表面上液滴的接触角均得到不同程度的提升，微结构间距、微结构大小和表面疏水性三者的共同作用决定了微结构表面接触角的增幅。液滴撞击微结构表面时，液滴在微结构表面上的浸润深度随下落高度以及平抛速度的增加而增大，另外微结构表面会阻碍液滴在表面上的滑动使液滴更快静止。Ra数的增大会使融化过程中涡结构的重整更快发生，提高了液化速度，在本文中，将Ra数提高一个数量级可将完全液化所需时间减小50％;另外，倾斜角度(φ)一定程度上强化了流体与壁面的换热效果但会带来换热的不均匀性，使完全融化时间变长。本文的研究可对微结构表面的设计以及在工程实际的应用提供理论指导。 |
| 作者： | 曲宁 |
| 专业： | 动力工程及工程热物理 |
| 导师： | 杨龙滨 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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