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user: 2. 液滴闪蒸与液膜闪蒸 闪蒸包括两种类型，一种是液滴到达受热面前的闪蒸，称为液滴闪蒸，另一种是覆盖受热面的液膜的闪蒸，称为液膜闪蒸。液滴闪蒸特性的变化，对液膜闪蒸影响很大，但是，从国内外研究现状来看，往往是对这两种闪蒸现象进行分开研究，本章分别综述了液滴闪蒸和液膜闪蒸的研究现状。 2.1. 液滴闪蒸 由于条件变化，最初处于平衡状态的液体变得过热。例如，突然减压的液体低于其初始温度对应的饱和压力，由于压力的突然下降，整个能量不能以显热的形式存在于液体中，多余的热量转化为汽化潜热，然后观察到剧烈的相变。此外，由于蒸汽的蒸发，液体的温度迅速下降，学者开始的研究对象多集中于喷雾，之后为了加深对机理的了解，实验对象部分转向单液滴或多液滴。 Zhou等 [ 7 ] 采用耦合液滴蒸发模型预测闪蒸喷雾的液滴温度。实验结果表明，液滴温度随轴向距离先快速下降，然后再缓慢下降，直至达到最小值，且喷雾中心的液滴温度高于周边区域。该模型揭示了液滴表面及其周围影响区域之间的传热传质的相互作用，影响区域的蒸汽质量分数和温度分别随着蒸发时间而增加和减少。预测结果与实验基本吻合，液滴的最低温度与液滴的初始温度和速度无关。 Shin等 [ 8 ] 采用扩散控制蒸发模型对单位液滴蒸发现象进行研究，对几种液滴尺寸的雾化水滴的蒸发过程进行了估算。从液滴蒸发的理论分析可知，在液滴尺寸足够小、液滴在室内停留时间足够长、闪蒸压力远低于三相点的条件下，水蒸气在初始环境温度下吸收液滴的潜热可以产生冰。另外喷雾流量主要影响系统的性能，而喷嘴的位置对系统性能的影响很小。 Wu等 [ 9 ] 同样利用数值扩散控制偏微分方程来研究不同参数下的液滴行为，并从理论上探讨了水滴在蒸发室中蒸发时的冷却现象。初始液滴直径、蒸发室的相对湿度、温度和压力是考虑的一些参数。结果表明，饱和蒸发室内液滴的初始半径越小，液滴冻结越快，即使两者具有相同的平衡温度，低相对湿度可显著减少液滴闪光时间。在不同的初始液滴直径、相对湿度和压力下，液滴的温度变化很大，不同的初始温度几乎不影响液滴的温度变化，这一结论与Zhou等 [ 7 ] 结果一致。 Wang等 [ 10 ] 建立了描述液滴闪蒸特性的数学模型，对液滴在真空条件下的温度、传热系数、相变和液滴寿命等进行了分析。并从真空喷雾冷却的角度，讨论了环境压力、环境温度、液滴尺寸和蒸汽浓度等参数对液滴相变的影响。在高温环境下，过热液滴的温度在短时间内呈上升趋势，然后温度下降，直至水滴完全蒸发。环境温度和液滴直径是影响寿命的主要因素，当其他条件固定时，液滴寿命与环境温度呈幂函数关系，环境温度越高，液滴的寿命越短，当环境温度T = 350 K时，液滴寿命约为220 ms，而环境温度T = 850 K时为22 ms。相反，随着液滴尺寸的增大，液滴寿命呈急剧增加的趋势。因此可以看出，环境温度减小，液滴尺寸增大，液滴寿命越大。 除了数值模拟，研究人员在实验方面也有大量的成果。刘伟民等 [ 11 ] 对低压闪蒸条件下液滴温度和环境压力的关系进行了实验研究。通过可视化观察，液滴闪蒸过程中液滴经历了六种形态变化。结果表明，稳态闪蒸中，液滴初始温度相同，环境压力越低，液滴的最终温度也越低；环境压力相同，液滴初始温度越高，降到最低温度的时间越长。稳态结冰过程中，环境压力越高，液滴结冰温度和回升温度越低；液滴初始温度越高，液滴结冰温度和回升温度也越高。 吴楚等 [ 12 ] 利用拍摄和PDA测量技术对水闪蒸过程中压力、温度对喷雾特性(液滴形状、液滴直径和液滴流速)的影响进行了研究。结果表明：当相对过热度为0.5时，液滴出口即雾化，当水温达到饱和温度时，液滴剧烈抖动；当水温低于饱和温度时，压力越低，液滴算术平均直径越小；当水温高于饱和温度时，则相反。在整个温度变化范围内，过热度 ≤ 1，闪蒸雾化时，液滴平均直径与蒸汽泡的数密度成反比。 Chen等 [ 13 ] 研究了真空室注入热水的喷雾闪蒸过程，将温度分布转化为喷雾液滴的平均直径，进一步研究了不同变量对闪蒸过程的影响。当初始温差较大时，平均液滴直径较小，由于较高的初始温差为微气泡的生长提供了更多的能量，促进了气泡数的密度，从而改善了喷雾雾化。值得注意的是，液滴直径的大小为100 μm，远小于喷嘴直径(9 mm)，这种小液滴使蒸发速度更快，因此蒸发过程在短短的垂直距离内完成，它表明在大多数情况下，蒸发过程是在20厘米以内完成的，初始温差越大，临界高度越小。 有部分学者以不同的工质为研究对象，Gao等 [ 14 ] 以LiCl溶液液滴为研究对象，对其在真空中的闪蒸过程进行了实验研究，得到了静态溶液液滴中心和表面的温度分布变化，并讨论了影响闪蒸强度和温度变化的因素。结果表明，在闪蒸开始阶段，表面温度和中心温度都急剧下降，到达最低值后，温度开始缓慢恢复。压力是液滴蒸发速率的核心因素，压力越低，闪蒸越剧烈，对液滴能达到最低温度起着非常重要的作用，较低的压力意味着较高的过热度，从而大大加强了蒸发，从而缩短了完成蒸发的时间。 刘琰等 [ 15 ] 对NaCl溶液液滴在真空环境下的闪蒸过程进行了实验研究，得到不同浓度下NaCl溶液液滴的温度变化。初始条件为。NaCl溶液液滴浓度为2%，液滴初始温度为21℃，初始直径为2.0 mm，环境压力从1.01 × 105降至80 Pa。实验中压力有压力快速下降和稳定两个阶段，与Gao等 [ 14 ] 得出的结论一致。第一阶段，过热度上升，液滴迅速蒸发，温度快速下降；第二阶段，液滴蒸发基本由传质引起，蒸发速度缓慢。当液滴温度下降至一定过热度时，液滴温度会上升至凝固点，然后温度继续下降，因为液滴凝固升华带走了热量。 由此可知，目前对于液滴闪蒸的研究，研究对象主要是纯水或不同的工质，状态是单液滴或喷雾状态，在理论和实验方面均取得一定进展，从液滴参数、环境参数和不同工质等角度，研究其对液滴闪蒸特性的影响，包括液滴形态、温度以及蒸发速度等，并深入分析了传热机理。液滴闪蒸分为剧烈和稳定两个过程，液滴初始温度、初始直径和环境压力均会影响液滴闪蒸特性，其中，压力是最重要的因素，主要是对过热度的影响。压力越低，液滴最终的温度也越低，过热度就越高，从而大大增强了液滴闪蒸强度。液滴初始温度影响液滴直径和液滴质量，对闪蒸的平衡温度以及闪蒸时间影响不大。液滴直径的影响程度相对较低，不影响闪蒸现象的最终状态。 2.2. 液膜闪蒸 当液膜厚度与液膜表面发生闪蒸的区域数量级相近时，则属于池水闪蒸，若液膜厚度远小于液膜表面发生闪蒸的区域数量级时，则属于液膜闪蒸。针对液膜闪蒸的研究，基本集中在工业技术领域的应用，而针对液滴落下形成的较薄液膜的建模细化研究相对较少。 Miyatake [ 16 ] 等对闪蒸机理进行研究，分析初始温度和过热度对闪蒸的影响，发现液膜闪蒸主要经历两个阶段，即快速蒸发阶段和慢速蒸发阶段，液膜的厚度和闪蒸室的压力对闪蒸特性有明显的影响。在池水闪蒸的基础上，提出了非平衡分数NEF、非平衡温度系数NETC等准则数，并得到了相应的经验公式。 Kim [ 17 ] 等以水为工质，在初始温度为40℃~80℃，过热温度为2℃~7℃的真空环境中进行了池水闪蒸的实验，确定了沸腾和蒸发速率突然减小的临界时间，即从快速沸腾阶段到慢速蒸发阶段所经历的时间，以及非平衡温度差NETD达到最小值时的初始温度等参数。 Saury [ 18 ] 等在初始液膜高度15 mm、过热度1~35 K、初始温度30℃~75℃的环境下，对液膜闪蒸进行了实验研究。结果表明，液体的初始温度和过热度是影响闪蒸动力学的参数，并提出了闪蒸蒸发的最终液体质量与过热度之间的比例关系，而这种比例因子可以从闪蒸室的热平衡中获得。此外，还提出了可以通过闪蒸率系数来确定闪蒸时间的方法。 Saury [ 19 ] 等进一步研究了液膜高度和减压速率对液膜闪蒸的影响。实验研究是在初始温度为45℃~85℃，初始液膜高度为25~250 mm，真空罐的初始压力为50~150 bar的蒸馏水中进行的。实验提出了一种闪蒸蒸发的定性方法，强调液膜初始高度对闪蒸的影响，并将液体的闪蒸蒸发质量与液滴温度关联起来，用数学模型描述了初始液膜高度对闪蒸时间、液体的闪蒸蒸发质量以及减压速率的影响，提出了相应的无量纲关联式。结果表明，闪蒸现象的最大幅度、闪蒸时间以及最终蒸发质量是初始液膜高度的增加函数，并指出在一定时间内减压速率对蒸发质量的影响，当减压速率增加时，闪蒸时间更低。此外，蒸发质量随时间的变化能够确定闪蒸蒸发的最终质量。 纪珺 [ 20 ] 等设计了一套带有恒温水套的液膜闪蒸真空制冰装置，对闪蒸现象进行了可视化观察。研究了初始温度、液膜厚度以及闪蒸压力对液膜闪蒸现象过程的影响，得到了闪蒸液体初始温度、闪蒸压力和液膜厚度对闪蒸过程中温度随时间变化曲线的影响规律，其研究的影响因素与Saury等 [ 18 ] [ 19 ] 相同，但结果不一样，前者是这三个因素对蒸发质量和闪蒸时间的影响，后者是对闪蒸过程中温度变化的影响。 Yang [ 21 ] 等在液膜初始浓度为0~0.15，初始高度为0.1~0.4 m，过热度为1.8~49.5 K的条件下，对NaCl水溶液静态闪蒸过程进行了实验研究。研究发现，瞬时过热是闪蒸过程的驱动力，温度下降率与瞬时过热度呈负相关，瞬时传热系数随着瞬时过热度的增加而增加。静态闪蒸过程中存在瞬时过热峰值，但是瞬时过热的最大值小于静态闪蒸时的初始过热。瞬时过热的最大值随着初始浓度或初始过热的增加而增加，初始液膜高度的增加降低了静压过程中的最大初始温度。 Zhang [ 22 ] 等同样对NaCl水溶液静态闪蒸进行了实验研究。初始液膜浓度和过热度分别为0~0.15，1.7~53.9，分析了初始液膜浓度、初始液膜高度和过热度等因素对闪蒸过程中液膜温度、非平衡分数和体积传热系数等热工性能的影响，并与纯水闪蒸进行了比较。结果表明，较高的初始液膜浓度抑制了气液相变，降低了闪蒸速率，减弱了沸腾传热强度，但过热和初始液膜高度对NaCl溶液闪蒸的影响和纯水相同。 综上，对于液膜闪蒸的研究，主要是对池水闪蒸传热传质过程的实验和理论研究，研究者们更多的关注闪蒸的瞬态变化过程和闪蒸特性，其主要因素分别是液膜高度、过热度及减压速率等，较低的液膜厚度，过热度越高，液膜闪蒸速率和传热系数就越大，对换热性能有明显的影响。闪蒸在海水淡化方面有重要的应用价值，为提高其蒸发速率，很多学者对NaCl水溶液的闪蒸过程进行了实验研究。同时，液滴闪蒸和液膜闪蒸是闪蒸喷雾冷却最重要的两个部分，因此，将闪蒸应用于喷雾冷却中，这两个过程的实验和机理研究至关重要。