基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理研究(1)

1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理研究及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理研究博士研究生：胡定華指導(dǎo)教師：吳慧英教授學(xué)科：動(dòng)力工程及工程熱物理研究方向：微小尺度相變傳熱傳質(zhì)上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院工程熱物理研究所二O一六年六月上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要I基板基板表面表面固著型固著型微小液滴蒸發(fā)特性及微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理研究熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理研究摘要基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)不僅在動(dòng)力

2、裝置冷卻、核反應(yīng)堆熱控、化工設(shè)備熱交換等工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛重要應(yīng)用，而且伴隨近年來(lái)微納技術(shù)的快速發(fā)展，在微電子器件制造及冷卻、微型光電材料制備、微全分析系統(tǒng)（TAS）等前沿科技領(lǐng)域亦展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對(duì)基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理的深入理解和掌握，是發(fā)展和完善其應(yīng)用的關(guān)鍵，而隨著微小液滴蒸發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，許多基礎(chǔ)性科學(xué)問題亟待深入研究和厘清。為此，本文針對(duì)基板表面固著型微小液滴（106mRl

3、c，R為液滴接觸半徑，lc為液體毛細(xì)長(zhǎng)度）的蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理開展了深入系統(tǒng)的研究。首先研究了固著型微小液滴蒸發(fā)速率及其理論預(yù)測(cè)，進(jìn)而詳細(xì)分析了三種典型蒸發(fā)模式下液滴形態(tài)的演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了基板全局加熱下微小液滴蒸發(fā)的熱質(zhì)輸運(yùn)模型及其形態(tài)演化行為，分析了液滴氣液界面Marangoni效應(yīng)對(duì)液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。鑒于Marangoni效應(yīng)與液滴表面溫度分布有重要關(guān)系，本文還通過(guò)底部微型加熱方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小液滴表面溫度

4、分布的調(diào)控，并進(jìn)一步研究了局部加熱下液滴表面溫度分布特征及其內(nèi)部微流動(dòng)的調(diào)控機(jī)制。本文主要工作和成果如下：（1）基板表面基板表面固著型固著型微小液滴蒸發(fā)速率微小液滴蒸發(fā)速率基于純擴(kuò)散蒸發(fā)模型，研究了環(huán)境溫度下等溫基板表面固著型微小蒸發(fā)液滴周圍蒸氣傳質(zhì)規(guī)律，分析了液滴形態(tài)對(duì)其蒸發(fā)速率的影響機(jī)理。發(fā)現(xiàn)非半球形液滴周圍蒸氣濃度沿空間各方向上的分布隨著與液滴距離的增加而趨于一致，并表現(xiàn)出與相同表面積下半球形液滴周圍蒸氣濃度分布相同的規(guī)律；相比接

5、觸角和接觸半徑，液滴表面積才是決定液滴蒸發(fā)速率的關(guān)鍵幾何形態(tài)參數(shù)；提出了一個(gè)全新的液滴蒸發(fā)速率預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式不僅數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單且可適用全接觸角范圍（0θ180）；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步獲得了液滴蒸發(fā)速率與液滴表面積平方根成正比的重要結(jié)論。最后，通過(guò)可視化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)得到預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式和結(jié)論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（2）微小液滴蒸發(fā)過(guò)程中形態(tài)演化規(guī)律微小液滴蒸發(fā)過(guò)程中形態(tài)演化規(guī)律理論研究了常接觸半徑（CCR）、常接觸角（CCA）以及“黏滑”（SS）三種