电场强化基面液滴蒸发的研究进展

为深入研究静电场对基面液滴蒸发的作用,结合有关国内外研究现状,通过分析电场对基面液滴的变形作用和对液滴内部流动模式和速率的影响,以及电场对液滴在上述两方面的影响与液滴蒸发的关系,分析了电场对基面上液滴蒸发过程的强化作用,对有关基面液滴在电场下蒸发的研究进展进行了介绍,根据前人的理论和试验研究结果探讨了电场对基面液滴蒸发强化作用的基本机制:电场能够使基面液滴的表面电荷分布和形貌特征发生变化,发生电润湿现象,同时改变液滴的内部流动形态,提高液滴的内部流动速率,从而从两方面强化液滴界面处的热交换,促进液滴的蒸发传质.同时,简要评析了目前的研究进展情况,并指出关于电场强化基面液滴蒸发值得进一步研究的方向.研究结果为高热流密度表面的静电雾化冷却技术研究提供了思路.     

气流中荷电液滴破碎数值模拟

荷电液滴破碎过程十分复杂，影响因素繁多，并且破碎时间短暂。难以进行试验研究。对荷电液滴的破碎过程进行了分析，根据荷电后液体表面张力的变化，得出荷电液滴耽数的表达式，得出破碎过程的主要影响因素有气液相对速度、气液物性参数以及静电场。在此基础上，选用VOF多相流模型、四边形网格和SIMPLE算法，设定不同的气液相对速度、液滴初始粒径等参数。对液滴破碎过程进行了数值模拟。模拟结果发现耽数不同，液滴有可能出现袋形破碎、剪切破碎或爆炸破碎。对于低粘度液体，We数可以作为破碎类型的主要判别依据。气液参数相同的情况下，荷电液滴耽数大，液滴更容易发生变形破碎。     

荷电液体射流破碎长度理论与实验

基于表面波线性不稳定性理论建立了荷电液体射流色散方程并进行数值计算,应用高速摄影技术测量荷电液体射流破碎长度,对理论分析结果进行实验验证.在讨论的射流速度、荷电电压范围内,随着射流速度或荷电电压的增加,0阶、1阶表面波最大增长率不断提高,但0阶表面波最大增长率始终大于1阶表面波,主导射流破碎过程;提高射流速度,射流破碎长度先增加至一个极值之后逐渐减小,荷电电压总是促进射流破碎,减小射流破碎长度;提高液体电导率,射流破碎长度增大.实验结果表明,线性不稳定性理论能很好地解释射流速度、荷电电压和液体电导率对射流破碎长度的影响,但在预测射流破碎长度极值对应的临界射流速度时存在一定的偏差.     

荷电颗粒多相湍流数学模型的构建

随着静电喷雾技术的发展,对荷电多相湍流的研究也不断深入,由于这一流动现场极其复杂,模型构建的难度增大.在多相湍流模型建立的理论基础上,采用双流体模型,考虑湍流脉动与电场耦合作用,引入“体平均”概念,构建了荷电多相湍流数学模型.“双流体”多相湍流模型在工业领域模拟复杂湍流中的成功应用和不断发展,为荷电多相湍流提供了新的工程模拟模型和方法.在单相荷电流体湍流模型方程建立的基础上,根据“双流体”多相湍流模型建立的理论基础,把荷电颗粒当作拟流体处理,借用拟流体多相湍流描述方程建立的方法,推导了荷电颗粒拟流体多相湍流的描述方程,为进一步获得荷电颗粒拟流体多相湍流模型提供了基础.     

荷电喷雾燃烧的研究

进行了燃油荷电喷雾的实验研究，设计了燃油荷电喷雾实验台，测量了荷质比、雾滴粒径等，并将PIV技术应用于荷电喷雾流场研究。实验结果表明：在相同条件下，燃油荷电后将使雾滴粒径有较大幅度的降低，喷雾流场变得均匀、松散，燃烧及排放得到明显改善。     

荷电雾滴群撞击界面过程的PDPA测试

为了研究荷电雾滴群撞击植株靶标界面的过程,研究了适合撞击过程测量的相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测试方法,分析了荷电雾滴群撞击界面后形态特征及形成的原因。实验结果表明:荷电雾滴群特殊的空间运动结构决定其撞击植株靶标界面后具有独特的存在形态;荷电雾滴撞击界面后只会产生粘附或反弹而不会发生喷溅;较多细微雾滴的存在导致荷电雾滴群反弹后凝并现象显著,使雾滴的粒径增大而个数减少;单雾滴撞击界面后产生粘附或反弹的判据K的临界值不适于荷电雾滴群的撞击过程,而法向Weber数为30可作为发生反弹现象的参考依据;较大的切向速度能够造成荷电雾滴撞击植株界面后反弹现象的发生;荷电雾滴所具有的部分法向动能在撞击反弹过程中转为切向动能。     

荷电两相湍流模型的建立

荷电两相湍流存在着非均匀的空间电场与流场的耦合作用,以及荷电颗粒相与连续相流体的相间作用,是非常复杂的两相湍流运动.本文采用颗粒拟流体假设得到了荷电两相流动瞬时状态的方程组.根据雷诺时均方法,建立了荷电两相湍流的时间平均雷诺方程组,并对其中的脉动关联项进行了模拟.     

荷电两相流中荷电尘粒聚并机理及其应用

提出用静电技术对动力机械及工厂排放的烟尘和尾气进行预处理，使尾气中含有的粉尘荷以极性相反的电荷，再使之混合极性相反的荷电粉尘聚变成较大粒子。以提高现有除尘器的效率和技术经济指标，并对这一技术可行性和机理进行了初步的实验研究。     

荷电喷雾两相流场的试验

为研究荷电喷雾两相流动中雾滴在静电力与流体力的共同作用下运动特性和湍流脉动特性对其传热传质的影响,采用相位多普勒粒子动态分析仪（Particle Dynamic Analyzer,PDA）对荷电喷雾两相流场进行了测量．将荷电两相流动中粒径小于10μm的雾滴作为连续相,其余粒子作为离散相,实现了荷电喷雾两相流动的测量．获得了不同液气比下雾滴粒径、两相速度与湍流脉动强度等随荷电电压的变化关系．试验结果表明：雾滴粒径随着荷电电压的增大而明显减小;不同的荷电电压下气液两相流动速度趋于一致,荷电雾滴具有良好的跟随性;荷电喷雾两相的湍流脉动强度差异较大,雾滴本身在静电力作用下产生较大的脉动．     

荷电颗粒拟流体多相湍流模型的建立

荷电多相湍流与一般多相湍流相比，存在流场脉动与电场脉动耦合的复杂运动特征，如何用方程加以描述并利用模型方程模拟这种耦合作用成为荷电多相湍流模拟研究的一项重要任务。在单相荷电流体湍流模型方程和荷电颗粒拟流体多相湍流描述方程建立的基础上，根据目前发展和应用不断扩大的“双流体”多相湍流模型，把荷电颗粒当作拟流体处理，借用拟流体多相湍流描述方程建立的方法，获得了荷电颗粒拟流体多相湍流模型，该模型方程通过电场关联项描述了电场和流场湍流脉动的耦合作用。通过引入电湍能交换系数对电场关联项加以模化，该模型可用于工程中大尺度复杂荷电多相湍流的模拟计算和工业装置的设计。     

杂草叶片表面结构对雾滴铺展和蒸发的影响

为了揭示不同表面结构的杂草叶片上雾滴的铺展和蒸发情况差异,设计试验研究了0.5%草甘膦在含有系列体积分数有机硅助剂的情况下,选择228,288μm两种粒径雾滴,分别沉积于毛刺、蜡质、粗糙等3种结构叶片表面时的铺展与蒸发情况.试验过程由数码摄像机记录,以获取雾滴完全蒸发所需的时间.并使用Matlab图形处理工具箱对视频中表征雾滴最大铺展面积的数字图像作分割处理,计算雾滴最大铺展面积.结果显示,粒径相同的情况下,在同一结构的叶片表面,雾滴所含有的有机硅助剂体积分数与雾滴的铺展面积呈正相关,而与雾滴的蒸发时间呈负相关.粒径大小相同、含有机硅助剂体积分数相同的雾滴在毛刺叶片表面的铺展效果最好,而蒸发最快;雾滴在蜡质叶片表面铺展面积与蒸发时间受有机硅体积分数变化的影响最为明显;在粗糙结构叶片表面,粒径较小的雾滴受其＂沟壑＂结构影响较难铺展,而粒径较大雾滴的铺展受＂沟壑＂结构影响不明显.     

可降解膜覆盖对一维土柱水分蒸发的影响

为解决残膜污染问题、探讨降解膜覆盖对土壤水分蒸发过程的影响规律,开展室内土柱蒸发试验,研究了在2种辐射方式(连续、间断)下5种覆盖层(CK:无膜;PE:普通地膜厚0.008 mm;BD1:A型降解地膜厚0.010 mm,诱导期45 d;BD2:B型降解地膜厚0.010 mm,诱导期60 d;BD3:C型降解地膜厚0.012 mm,诱导期60 d)对土壤水分蒸发特性的影响.结果表明:地膜覆盖对土壤蒸发影响显著,连续辐射蒸发下,处理CK的累积蒸发量为34.2 mm,与 CK 相比处理PE,BD1,BD2,BD3的抑蒸率分别为31.22%,15.61%,15.94%和15.35%;间断辐射蒸发下,处理CK的累积蒸发量为32.5 mm,与 CK 相比处理PE,BD1,BD2,BD3的抑蒸率分别为25.84%,15.69%,16.74%和12.15%,抑制作用从大到小依次为PE,BD2,BD1,BD3,CK.在相同的辐射方式下,降解膜处理累积蒸发量的Rose模型拟合效果优于其他处理.从2种辐射方式下降解膜的蒸发特性和其拟合效果得出,B型完全生物降解地膜相对于A,C型完全生物降解地膜,能更有效地抑制水分的蒸发散失,其模型拟合效果更好.     

荷电气固两相流固相输运方程的分析计算

对静电喷粉中的荷电气固两相流固相输送过程进行了分析，建立了固相输运方程。应用该方程对本课题组研制的静电喷粉系统固相输运流场进行了计算与实验验证。     

液液系统中荷电射流不稳定性

针对生物柴油液液静电雾化乳化过程,建立了色散方程并应用Matlab进行数值计算,分析了水射流速度、荷电电压、水与生物柴油各自的黏度、表面张力对生物柴油中水射流不稳定性的影响.研究结果表明,在水-生物柴油系统中,提高水射流的速度或荷电电压,均能使界面波最大增长率增大,对应的最优波数也随之增加.水的黏度阻碍水射流的破碎雾化,而生物柴油黏度对水射流的破碎雾化却起着促进作用.水-生物柴油的界面张力越小,对液液静电雾化乳化过程越有利.在水-生物柴油液液静电雾化乳化实际应用过程中,除提高水射流速度和荷电电压外,提高水的温度同时尽可能地降低生物柴油的温度,可以形成粒径细小均匀离散相液滴,获得优质的生物柴油乳化燃油.     

自动补水蒸发皿装置的原理及应用

为了更好地利用蒸发皿的蒸发量指导农田灌溉,根据马氏瓶工作原理设计了一种简单、实用,价格低廉而且操控性强的恒水位蒸发皿装置,此装置在20 cm标准蒸发皿的基础上附加了一个自动补水装置.以20 cm标准蒸发皿的蒸发量为标准,对可进行自动补水的恒水位蒸发皿的水面蒸发过程进行了验证.通过大田冬小麦试验建立了水面蒸发过程与冬小麦同阶段耗水过程的关系.结果表明,设计开发的蒸发皿装置,具有较好的稳定性,组间测量值相对平均误差小于5%,超过5 d相对平均误差小于2%;其水面蒸发过程与20 cm标准蒸发皿的蒸发量具有显著的相关关系,相关系数高达0.99;华北地区优质高产冬小麦在拔节期、抽穗扬花期和灌浆成熟期的田间耗水量,与自动补水蒸发皿同阶段累计水面蒸发量的比值分别为1.09,1.31和1.16.因此,可以用该装置的水面蒸发量来指导农田灌溉,达到农作物优质、高效、高产的目的.     

预处理秸秆对土壤蒸发及秸秆分解率的影响

通过室内土柱模拟培养试验,对比研究了秸秆粉碎、氨化及与无机土壤改良剂混合配施后对土壤蒸发特性及秸秆分解速率的影响.结果表明:秸秆施入土壤后明显提高了土壤的累积蒸发量,粉碎氨化秸秆具有降低累积蒸发量的作用,其与无机土壤改良剂混合配施后,降低土壤蒸发强度作用显著,提高了土壤的耐旱性.长秸秆和粉碎秸秆单独施入土壤后明显提高了土壤的蒸发失水比,粉碎氨化秸秆能持续降低土壤的蒸发失水比,当其与土壤改良剂混合后抑制土壤无效蒸发作用周期延长.秸秆施入土壤后的分解高峰主要发生在30 d内.短期内秸秆粉碎程度对其分解速率作用不明显,粉碎氨化秸秆提高秸秆分解率效果显著.土壤耗水特征各指标累积蒸发量E_c、蒸发速率a·b、蒸发失水比p_wl各指标之间相关关系具有统计学意义,能较好地表征土壤蒸发特性.     

Theoretical and Experimental Analysis of Spray Flow and Evaporation in Sprinkler Irrigation

This paper shows the main results,reached during the last three years ofresearch by this group, on sprinklerirrigation modeling and experimenting. Amathematical method based on the SecondPrinciple of Dynamics proves to fully matchthe results obtained by more complicatedmodels from other authors, but still needsfurther verification to determine aerialwater droplet evaporation, even if this nowhelps to confirm the relevance of airfriction in the process. The experimentalactivity performed also shows its use inhelping towards a fuller understanding ofwater waste in sprinkler irrigationpractice.