梯度表面能材料上液滴運動及滴狀凝結(jié)換熱.pdf

1、大量研究表明滴狀凝結(jié)是一種高效傳熱方式，其傳熱系數(shù)是相應(yīng)膜狀凝結(jié)傳熱系數(shù)的幾倍至幾十倍。凝結(jié)表面上液滴的運動和聚合過程對凝結(jié)液滴的生長和脫離有重要的影響。相對于傳統(tǒng)凝結(jié)表面依靠重力排除凝結(jié)液滴而言，在梯度表面能材料表面上，凝結(jié)液滴可以以自遷移方式運動，從而提供了重力以外的排除凝結(jié)液滴方式。因此，對于水平放置或者其它失重狀態(tài)下的梯度能表面，都能夠及時排除其表面上的凝結(jié)液滴，有效促進滴狀凝結(jié)換熱系數(shù)的提高。此外，梯度表面能材料上的液滴自驅(qū)動

2、運動在燃料電池、熱管換熱器、微機電等領(lǐng)域亦具有潛在的重要應(yīng)用價值。目前，液滴在梯度表面能材料表面上運動機理及凝結(jié)換熱特性等方面開展的研究工作還非常有限。
　　為了研究液滴聚合影響梯度表面能材料上液滴運動的機理，本文首先采用了可視化實驗手段系統(tǒng)的研究了大氣環(huán)境中等溫條件下均質(zhì)表面上的液滴聚合特性，獲得了液滴聚合過程中聚合液滴接觸線、液橋半徑及接觸角隨時間變化的規(guī)律；分析了界面性質(zhì)、液滴物性、表面傾角以及液滴大小等因素對液滴聚合的影響

3、，并將等徑與非等徑液滴的聚合進行了比較。結(jié)果表明兩個液滴聚合后呈衰減性振蕩，這是由兩液滴凹凸液面壓差造成的振蕩，導(dǎo)致液滴內(nèi)部的粘性耗散，其能量來自于液滴聚合后，氣液界面面積的減少而釋放出的表面能。固體的表面屬性對液滴聚合過程中液橋半徑和接觸角的變化，以及聚合振蕩時間均有顯著的影響；對于相同固體表面上液滴聚合，液滴自身屬性對聚合過程影響表現(xiàn)為：液滴的粘性的越大，液橋半徑和接觸角振蕩的頻率和振幅越小，振蕩時間越短，兩側(cè)接觸線收縮的幅度越小。

4、最后，本文對液滴聚合中液橋半徑隨時間的變化進行擬合（0<τ<τ0），建立實驗關(guān)聯(lián)式，結(jié)果表明：液滴聚合初始階段，液橋半徑隨時間的的變化滿足Ry=atb形式，符合Ry∝tb定律。a和b的值與液滴直徑的大小、y液滴的粘性、表面性質(zhì)和表面的傾角等因素有關(guān)，一般來說0＜a＜1，0＜b＜0.5。采用VOF方法對水平均質(zhì)表面上等徑液滴聚合進行了模擬，其計算得到液滴形態(tài)變化和液橋變化與實驗結(jié)果基本一致。
　　在均質(zhì)表面液滴聚合特性研究的基礎(chǔ)上，

5、本文采用化學(xué)氣相沉積方法制備梯度表面能材料，實現(xiàn)了液滴在該表面上的自遷移，通過對梯度表面能材料表面上液滴運動行為的研究，獲得了液滴運動速度、接觸角的變化規(guī)律，并從能量轉(zhuǎn)換的角度分析了引起液滴自遷移的主要原因。結(jié)果表明蒸餾水液滴在水平梯度表面能材料表面上的峰值運動速度能達到42 mm/s，運動距離約為3 mm。同時，液滴的運動可以分為加速運動區(qū)和減速運動區(qū)兩個階段；當(dāng)液滴峰值速度較小而減速運動區(qū)較大時，液滴運動會呈現(xiàn)蠕動的現(xiàn)象。驅(qū)使液滴運

6、動的最主要動力是來自于作用在三相接觸線上的非平衡表面張力的合力，由潤濕梯度引起的液滴輪廓非對稱性分布所導(dǎo)致的液滴內(nèi)部流體環(huán)流的作用也是主要的驅(qū)動力之一。從液滴運動過程中能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系分析，液滴的固-氣界面能和重力勢能減少，釋放出來的能量轉(zhuǎn)化為液滴的動能、液-氣界面能、固-液界面能以及耗散功，而固-氣界面表面能的減少是促使液滴自發(fā)定向運動的主要原因。采用VOF方法對水平梯度表面能材料上液滴運動進行模擬，得到液滴形態(tài)變化規(guī)律與實驗結(jié)果基本吻

7、合。
　　通過對大氣環(huán)境中水平梯度表面能材料上液滴聚合過程的實驗研究，發(fā)現(xiàn)了梯度表面材料上液滴聚合與均質(zhì)表面上液滴聚合具有顯著的區(qū)別，結(jié)果表明液滴聚合過程是加速液滴在梯度表面上運動的主要原因，同時發(fā)現(xiàn)薄液膜的存在亦對液滴運動具有有效的促進作用。通過對飽和水蒸汽在梯度表面能材料表面上滴狀凝結(jié)換熱實驗，發(fā)現(xiàn)水蒸汽凝結(jié)狀態(tài)下的凝結(jié)液滴峰值運動速度達到200 mm/s，表面換熱系數(shù)先隨過冷度增大而增大，到達一個最大值后，反而隨之減小；凝結(jié)

8、表面傾角變大，表面換熱系數(shù)也隨之增大，且過冷度對表面換熱系數(shù)的影響越大；表面能梯度越大，表面換熱系數(shù)也越大。通過改進均質(zhì)表面上滴狀凝結(jié)換熱理論，并結(jié)合梯度表面能材料表面的液滴分布及凝結(jié)換熱特性，得到了一維水平梯度表面能材料表面上的滴狀凝結(jié)換熱計算模型；通過實驗觀察確定模型的重要參數(shù)-最大液滴半徑隨過冷度的變化關(guān)系，并分別計算得到十二烷基三氯硅烷和辛基三氯硅烷制備的水平梯度表面能材料表面上的滴狀凝結(jié)平均表面換熱系數(shù)。模型計算結(jié)果與實驗值基