�第61卷�第4期��化�工�学�报�������Vol�61�No�4�2010年4月��CIESC�Journal���April�2010研究简报初始冷凝液滴尺寸分布的分子团聚模型宋天一,兰�忠,马学虎(大连理工大学化学工程研究所,辽宁大连116012)关键词:初始滴状冷凝;尺寸分布;分子团聚中图分类号:TK124������文献标识码:A文章编号:0438-1157(2010)04-0839-05MolecularclusteringanalysisoninitialdropletsizedistributionSONGTianyi,LANZhong,MAXuehu(InstituteofChemicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116012,Liaoning,China)Abstract:Initialdropwisecondensationofmoistaironahydrophobicself�assembledmonolayer(SAM)surfacewasinvestigatedwithahighspeedcameraandamicroscope�Thetransientinitialdropletsizedistributionandthegrowthofmicro�dropletsbydirectcondensationonthesurfacewithoutcoalescencewereanalyzedfromtheconceptofmolecularclustering�Basedonthegeneralcharacteristicsofnucleationofdropwisecondensation,amolecularclusteringphysicalmodelwasproposedtodescribethestateofsteammoleculesinthebulksteamphasebeforecondensingonthecooledsurface.Keywords:initialdropwisecondensation;dropletsizedistribution;molecularclustering��2009-12-03收到初稿,2010-01-20收到修改稿。联系人:马学虎。第一作者:宋天一(1980�),男,博士研究生。基金项目:国家自然科学基金项目(50776012,50906006);教育部新世纪优秀人才基金项目(NCET�05�0280)。�引�言目前大多数研究者都认为滴状冷凝是一个核化过程[1],即蒸汽在冷凝表面的核化点上首先发生核化,然后逐渐生长成液滴。冷凝表面上的胚团表面同时存在分子的冷凝和蒸发两个过程,只有当胚团达到某一尺寸,冷凝速率大于蒸发速率后,才能最终长大形成液滴。液滴的生长过程分为两个阶段:主要靠蒸汽在液滴表面上直接冷凝长大和主要靠液滴间的合并长大,区别这两个过程的液滴半径称为临界半径。研究者们[2]对稳态滴状冷凝过程中的液滴尺寸分布进行了大量的实验和理论研究,并得出了通用的尺寸分布函数,但有研究者指出该尺寸分布仅能较好地描述主要靠合并长大的较大液滴尺寸分布[3]。Gose等[4�7]则利用计算机对滴状冷凝的循环过程进行了模拟研究。Wu等[8]较早地利用Popu�lationBalance假设推导出尺寸小于临界半径的小液滴的尺寸分布。随后,Abu�Orabi[3]、Vemuri等[9]也相继利用该假设对Wu等[8]建立的针对小液��Receiveddate:2009-12-03.Correspondingauthor:Prof.MAXuehu,xuehuma@dlut�edu�cnFoundationitem:supportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(50776012,50906006)andtheFundofNewCenturyExcellentTalentsinUniversityofMinistryofEducationofChina(NCET�05�0280).�滴的尺寸分布模型进行了修正,对较大液滴的尺寸分布则仍采用Rose的分布模型[2]。Wu等[10]则基于液滴分布的自相似性,以随机分形模型,模拟了滴状冷凝过程中液滴分布。兰忠等[11]采用时间序列对液滴的空间分布进行重构,建立了液滴分布的时间序列分布模型,考虑到了液滴分布的随机性、动态性及固液界面效应对液滴传热的影响因素。上述研究的基础是稳态的滴状冷凝过程,虽然兰忠等[11]和Tanaka[12]的研究体现了冷凝过程的动态特性,但是对于冷凝初始阶段的瞬态特性研究尚不充分。本文的主要研究目的是得到初始冷凝时刻液滴的冷凝图像,并对其瞬态尺寸分布进行分析。1�实验装置及流程在纯蒸汽冷凝过程中,即便是低压蒸汽冷凝,初始冷凝过程也极为短暂,虽然高速摄像机可以达到很高的拍摄速率,但拍摄视野极小。为了使液滴尺寸分布的分析结果具有普遍性,还是希望能够具有较大的视野和较高的分辨率,此时的拍摄速度和视场的亮度就不足以清晰拍摄到初始时刻冷凝图像。Leach等[13]直接观察了热水容器中产生的水蒸气经由自然冷却,于疏水表面上形成滴状冷凝的过程,认为该条件下,液滴的生长速率比大多数稳态实验中慢很多,为滴状冷凝过程中许多现象的观察提供了便利,相当于拉长的实验观察的时间尺度。基于这一思想,本文设计了湿空气...
