论文信息：
Dan Zhang, Wenbo Zhou, Shuoqiao Liu, Bingchao Zhao, Dan Gao, Liangye Zhang. Study on evaporation characteristics of water droplet array under heating of thermal irradiation: Monte Carlo method. Applied Thermal Engineering, Volume 262,2025,125247.
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.125247
研究背景：
雾化蒸发是光热储能、碳捕获、海水淡化、废水处理、干燥浓缩等工业生产中的通用工艺环节。现有工艺采用加热面以导热的方式或通过热空气等介质以对流的方式提供该热量。它们都需要介质进行传热，并且效率不高。 若利用热辐射对液滴群进行加热，不仅无需传热介质，还可集成太阳能，降低生产成本, 实现绿色生产。为此, 西安交通大学张丹教授课题组与华北水利水电大学赵冰超教授课题组围绕热辐射加热下液滴群的辐射传输与升温, 蒸发性能合作开展了系统的实验研究与数值模拟。
研究内容：
本文基于蒙特卡洛法 （MCM） 建立了液滴群辐射传输的计算模型，如图 1所示，系统地研究了外部辐射特性、液滴几何特性和自身辐射特性对于液滴群蒸发的影响。蒙特卡洛法法本质上是一种概率统计的方法，通过光线追踪的方式描述外部辐射能量在液滴之间的分配情况，其具体计算流程及结果如图 2所示。
图 1液滴群计算区域
(a)光线追踪的流程图
(b)光线追踪结果
图 2蒙特卡洛方法计算外部辐照
为了验证计算模型，我们构建了一个实验系统，如图 3 所示，实验中将三个水滴悬浮在三个0.2 mm T型热电偶上，分别用波长为1450、1930 nm激光束照射。在加热过程中，记录了液滴的温度和等效直径，发现实验与模拟结果偏差在± 10%，如图 4所示验证了模拟结果的准确性。
图 3实验系统和液滴测量
图 4模型结果验证
外部辐射功率和入射窗口直径
图 5分别对比了不同外部辐射功率(qb)和入射窗口直径(Db)对于液滴群蒸发的影响。结果表明主受辐液(PIDs)滴随着功率的增加，温度明显升高，液滴大小和数量减少更为明显；随着入射窗口直径的增加，主受辐液滴的分布范围和数量都增加，使它们的升温和液滴直径减小减慢。这说明受外部辐射影响的空间范围主要取决于光束直径，而非功率。
(a)不同外部辐射功率
(b) 不同入射窗口直径
图 5液滴群蒸发演化过程
文中定义了液滴的吸收率(α)、蒸发时间(τev)和蒸发速率(ER)来衡量液滴对热辐射的吸收情况。图 7对比了不同外部辐射下蒸发速率和吸收率与入射窗口直径的关系。可以看出：增加光束直径对液滴蒸发的增强效果非常有限；吸收率也随入射直径略有增加，但不依赖外部辐射功率。
图 6不同外部功率下的蒸发温度、蒸干时间与入射光束直径的关系
图 7不同外部功率下的蒸发速率和吸收率与入射窗口直径的关系
液滴的初始体积分数和空间构型
图 8对比了液滴群在不同初始体积分数下(fV, 0)的蒸发情况。可以发现：随着初始体积分数的增加，主受辐液滴的分布范围没有明显的变化；主受辐液滴的升温随着初始体积分数的增加而减慢，未干燥的主受辐液滴数量也相应增加。
图 8不同初始体积分数下液滴群蒸发演化
图 9分别对比了不同空间构型下的蒸发速率和吸收率与初始体积分数的关系，可以发现：蒸发速率随着初始体积分数的增加而显著增加，后逐渐接近一个定值；吸收率的变化与蒸发速率的变化一致；液滴群空间分布影响很小。这表明液滴群的空间位置对于蒸发影响可以忽略，降低了实际应用中雾化和流场设计的难度。
图 9液滴不同空间构型下的蒸发速率和吸收率与初始体积分数的关系
液滴的吸收系数和初始直径
图 10分别对比了不同吸收系数(κ)和初始液滴直径(D0)下液滴群的蒸发过程。可以发现： 主要受辐液滴的空间范围随着吸收系数的增加而逐渐缩小，但与液滴初始直径没有关系；未干燥的液滴数量随着吸收系数的增加或液滴初始直径的减少而减少。
(a) 不同吸收系数
(b) 不同液滴初始粒径
图 10液滴群蒸发演化
如图 11所示, 可以将液滴群蒸发模式分为两种：吸收控制区（AC），和体积控制区（SC）。SC 下液滴群的蒸发速率、吸收效率均高于AC, 是理想的辐射加热模式，由此得到3个合理高效的入射波段，如图 12所示。
图 11不同吸收模式下液滴蒸发速率、主受辐液滴数和吸收率等值线图
图 12液滴群合理入射波段
结论与展望
本文提出了液滴群的吸收率和蒸发速率的半经验公式，根据光学厚度将液滴群蒸发类型划分为吸收控制区和尺寸控制区。得出尺寸控制区是蒸发液滴群的理想工作状态，并得出理想入射波段，可用于评价液滴群的蒸发性能。在这项研究的基础上，我们的团队正在同时进行太阳辐射光谱调制，以及不同组分（如 NaCl 水溶液）的动态液滴群的吸收/蒸发性能的研究和建模。
人物简介
西安交通大学能动学院张丹教授，致力于太阳能光谱调制、热辐射、气液/颗粒多相流、可压缩流动等领域的基础性问题研究，推动相关领域取得突破性进展。近年来在International Journal of Heat and Mass Transfer, Applied Thermal Engineering等期刊发表系列论文。
