第6卷第4期自然科学进展——国家重点实验室通讯1996年7月lc一毛细表面张力引起的液体流动再湿润彭晓峰王补宣(清华大学热能工程景，北京1O0O84{=)S·摘要讨论炽热表面毛细表面张力引起的液体流动再湿润物理模型，着重舟析多孔表面层内和周向微槽表面的再湿幅过程．实验研究及测试结果证实了理论分析的结论以及所揭示的再湿润规律乖特性．传热液啤；忽刃由于超薄液膜的维持存在与蒸发可以导致极高的传热热流密度⋯，提供了一种很好的表面冷却新途径．这种冷却技术在现代科技如热管热控制系统、蒸发冷凝器、强化传热装置发展中有着鲜明的应用潜力．最近在高集成电子元件冷却和航天热控制中两相散热系统中的应用与发展31，推动了加热表面与液膜再湿润特性的研究，特别是微、零重力场中毛细表面张力引起的液膜流动再湿润更为人们所关注．在航天热控制系统中，在微、零重力场中的液体流动多为毛细力的作用所引发．研究这种毛细表面张力引起的液体流动再湿润现象，正是顺应航天热控技术的最新发展及超高集成电子元器件冷却要求而积极开展起来的，文献中却很少见到毛细流动再湿润研究的正式报道．Saeed和Peterson~"1的综述中指出，干涸后炽热表面的再湿润问题原先主要针对核反应堆失水事故的安全性分析的需要提出并进行研究的．这些研究虽然提供了不少实验数据，有效地认识了某些基本特性，但远未能认清机理，由实验结果得到的结论有时截然相反．最近，Peng和Peterson等提出了考虑加热平板再湿润前沿液体蒸发的物理模型，从理论上分析了再湿润过程，并由此澄清一些模糊的概念．在此基础上Peng和Peterson等又针对不同情况下毛细表面张力引起的流动再湿润进行了分析与实验考察，包括薄液膜的流动，其中对周向微槽内的毛细流动再湿润分析与实验llf，已直接为美国航天热控制用热管及散热系统的设计提供了理论依据_1．也探讨了轨道上加速飞行时加速度对再湿润的影响l1日．表面张力引起的毛细流动，及相应的再湿润是十分复杂的耦台过程，本质上是瞬态的，具有非平衡特性．本文将系统地讨论这种液膜流动再湿润的分析方法与特性．1液膜流动的数学描述炽热表面液膜流动再湿润与液膜流动特性密切相关～．在毛细作用下而且没有其它驱动[994—09—09收稿，[995—0【一06收修改稿国家自然科学基金及霍英东基金资助项目维普资讯http://www.cqvip.com412崮1、F板分折模型自然科学进展——国家重点实验室通讯第6卷力存在时，向前推进的液膜受毛细压差的驱动，克服壁面阻力．如果在重力场中，还会有重力的作用．随着液膜的向前推进湿润区及液膜长度都在变化．图l示出水平表面上毛细表面张力驱动下的一维液膜流动湿润的物理图景．如假定特征毛细半径不变，瞌液膜层的延伸．液膜层质量增大，作为驱动的毛细力也不变．若进一步假设，流动为层流，液体是Newton流体，且具有常物性，则已充分湿润表面的液膜层动量关系为时间￡与速度【，之间有壁面剪切应力2．]鲁"c~=ktIgu=U-=2kt-~U_l1。『-■2将(2)、(3)式代人(1)式中．整理后得到dxxRU一器P．(4)6’定解条件为x=0，U=0．(5)冷态下的液膜速度也就同时代表湿润速度U．可由(4)和f5)式求解．必须注意很小时，(1)或(4)式中还应包括由于质量变化引起的动量变化项．然而，实际应用中最关心的．则是足够大的处能否被湿润，简化了的(1】式比较合理．自然，重力对流动产生作用时，(1】式也应有重力项．1_l多孔表面层内的液膜流动液体在多孔表面层内的渗流是由毛细抽吸力作用的结果．图2表示垂直多孔层内的流动将在毛细作用下克服阻力与重力、以液膜速度【，，上升g并湿润多孔层与表面．如果流动是一维的，同时多孔层内维持均匀饱和度，且热物性为常数时，液膜速度【，，因重力及阻力的作用会随高度x变化．这种流动由Darcy方程确定．即一等[1_一dp~dx㈣“l⋯l。式中K为多孔介质的相对渗透率，饱和时K；12多扎表面分析模型维普资讯http://www.cqvip.com第4期彭晓峰等：毛细表面张力引起的液体流动再湿润413在整个液体上升区内，毛细压力梯度为盟：一dx风’x为液面至湿润前沿的距离．于是，u=等[)1．2周向微槽内的毛细流动图3示出周向微槽内的毛细流动模型，可认为是一维的曲...
