梯度表面能材料上液滴运动及滴状凝结换热

论文摘要

大量研究表明滴状凝结是一种高效传热方式,其传热系数是相应膜状凝结传热系数的几倍至几十倍。凝结表面上液滴的运动和聚合过程对凝结液滴的生长和脱离有重要的影响。相对于传统凝结表面依靠重力排除凝结液滴而言,在梯度表面能材料表面上,凝结液滴可以以自迁移方式运动,从而提供了重力以外的排除凝结液滴方式。因此,对于水平放置或者其它失重状态下的梯度能表面,都能够及时排除其表面上的凝结液滴,有效促进滴状凝结换热系数的提高。此外,梯度表面能材料上的液滴自驱动运动在燃料电池、热管换热器、微机电等领域亦具有潜在的重要应用价值。目前,液滴在梯度表面能材料表面上运动机理及凝结换热特性等方面开展的研究工作还非常有限。为了研究液滴聚合影响梯度表面能材料上液滴运动的机理,本文首先采用了可视化实验手段系统的研究了大气环境中等温条件下均质表面上的液滴聚合特性,获得了液滴聚合过程中聚合液滴接触线、液桥半径及接触角随时间变化的规律;分析了界面性质、液滴物性、表面倾角以及液滴大小等因素对液滴聚合的影响,并将等径与非等径液滴的聚合进行了比较。结果表明两个液滴聚合后呈衰减性振荡,这是由两液滴凹凸液面压差造成的振荡,导致液滴内部的粘性耗散,其能量来自于液滴聚合后,气液界面面积的减少而释放出的表面能。固体的表面属性对液滴聚合过程中液桥半径和接触角的变化,以及聚合振荡时间均有显著的影响;对于相同固体表面上液滴聚合,液滴自身属性对聚合过程影响表现为:液滴的粘性的越大,液桥半径和接触角振荡的频率和振幅越小,振荡时间越短,两侧接触线收缩的幅度越小。最后,本文对液滴聚合中液桥半径随时间的变化进行拟合（ 0 <τ<τ0）,建立实验关联式,结果表明:液滴聚合初始阶段,液桥半径随时间的的变化满足R y= atb形式,符合R y∝tb定律。a和b的值与液滴直径的大小、液滴的粘性、表面性质和表面的倾角等因素有关,一般来说0<a<1,0<b<0.5。采用VOF方法对水平均质表面上等径液滴聚合进行了模拟,其计算得到液滴形态变化和液桥变化与实验结果基本一致。在均质表面液滴聚合特性研究的基础上,本文采用化学气相沉积方法制备梯度表面能材料,实现了液滴在该表面上的自迁移,通过对梯度表面能材料表面上液滴运动行为的研究,获得了液滴运动速度、接触角的变化规律,并从能量转换的角度分析了引起液滴自迁移的主要原因。结果表明蒸馏水液滴在水平梯度表面能材料表面上的峰值运动速度能达到42 mm/s,运动距离约为3 mm。同时,液滴的运动可以分为加速运动区和减速运动区两个阶段;当液滴峰值速度较小而减速运动区较大时,液滴运动会呈现蠕动的现象。驱使液滴运动的最主要动力是来自于作用在三相接触线上的非平衡表面张力的合力,由润湿梯度引起的液滴轮廓非对称性分布所导致的液滴内部流体环流的作用也是主要的驱动力之一。从液滴运动过程中能量转换的关系分析,液滴的固-气界面能和重力势能减少,释放出来的能量转化为液滴的动能、液-气界面能、固-液界面能以及耗散功,而固-气界面表面能的减少是促使液滴自发定向运动的主要原因。采用VOF方法对水平梯度表面能材料上液滴运动进行模拟,得到液滴形态变化规律与实验结果基本吻合。通过对大气环境中水平梯度表面能材料上液滴聚合过程的实验研究,发现了梯度表面材料上液滴聚合与均质表面上液滴聚合具有显著的区别,结果表明液滴聚合过程是加速液滴在梯度表面上运动的主要原因,同时发现薄液膜的存在亦对液滴运动具有有效的促进作用。通过对饱和水蒸汽在梯度表面能材料表面上滴状凝结换热实验,发现水蒸汽凝结状态下的凝结液滴峰值运动速度达到200 mm/s,表面换热系数先随过冷度增大而增大,到达一个最大值后,反而随之减小;凝结表面倾角变大,表面换热系数也随之增大,且过冷度对表面换热系数的影响越大;表面能梯度越大,表面换热系数也越大。通过改进均质表面上滴状凝结换热理论,并结合梯度表面能材料表面的液滴分布及凝结换热特性,得到了一维水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结换热计算模型;通过实验观察确定模型的重要参数-最大液滴半径随过冷度的变化关系,并分别计算得到十二烷基三氯硅烷和辛基三氯硅烷制备的水平梯度表面能材料表面上的滴状凝结平均表面换热系数。模型计算结果与实验值基本吻合。并采用该模型对甲醇和乙醇蒸汽分别在一维矩形梯度表面能材料表面上凝结换热性能进行了预测,对水、甲醇和乙醇蒸汽分别在圆形径向梯度表面能材料表面上凝结换热性能进行了预测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 梯度表面能材料制备的研究现状
• 1.2.2 液滴聚合的研究现状
• 1.2.3 梯度表面能材料上液滴运动的研究现状
• 1.2.4 滴状凝结换热及凝结液滴分布理论
• 1.2.5 梯度表面能材料在凝结换热中的应用
• 1.3 本课题研究的目的及意义
• 1.3.1 已有工作的不足
• 1.3.2 本文研究的内容
• 1.3.3 本文研究的意义
• 2 均质表面上液滴聚合可视化实验
• 2.1 引言
• 2.2 实验装置及实验方法
• 2.2.1 可视化实验系统
• 2.2.2 实验流程及方法
• 2.2.3 误差分析
• 2.3 水平有机玻璃表面等直径水滴聚合
• 2.3.1 聚合液滴接触线随时间的变化及分析
• 2.3.2 聚合液滴液桥半径随时间的变化
• 2.3.3 聚合液滴接触角随时间的变化
• 2.4 水平有机玻璃表面非等直径水滴聚合
• 2.4.1 非等直径水滴聚合现象
• 2.4.2 聚合液滴接触线随时间的变化
• 2.4.3 聚合液滴液桥半径随时间的变化
• 2.4.4 聚合液滴接触角随时间的变化
• 2.5 倾斜有机玻璃表面等径水滴聚合
• 2.5.1 倾斜均质表面等径水滴聚合现象
• 2.5.2 聚合液滴接触线随时间的变化
• 2.5.3 聚合液滴液桥半径随时间的变化
• 2.5.4 聚合液滴接触角随时间的变化
• 2.6 倾斜有机玻璃表面非等径水滴聚合
• 2.6.1 倾斜均质表面非等径水滴聚合现象
• 2.6.2 聚合液滴接触线随时间的变化
• 2.6.3 聚合液滴液桥半径随时间的变化
• 2.6.4 聚合液滴接触角随时间的变化
• 2.7 液滴物性与表面性质对液滴聚合的影响
• 2.7.1 不同界面上不同物性的液滴聚合现象
• 2.7.2 聚合液滴接触线随时间的变化
• 2.7.3 聚合液滴液桥半径随时间的变化
• 2.7.4 聚合液滴接触角随时间的变化
• 2.8 均质表面上液滴聚合中液桥半径变化实验关联式
• 2.8.1 有机玻璃表面等径液滴聚合
• 2.8.2 有机玻璃表面非等径液滴聚合
• 2.8.3 紫铜表面等径液滴聚合
• 2.8.4 紫铜表面非等径液滴聚合
• 2.9 均质水平表面上液滴聚合的VOF 方法模拟
• 2.10 结论
• 3 液滴在梯度表面能材料表面上的运动特性
• 3.1 引言
• 3.2 实验装置及实验方法
• 3.2.1 梯度表面能材料表面的制备及表征
• 3.2.2 可视化实验系统
• 3.2.3 实验流程
• 3.3 液滴运动速度的分析
• 3.4 水平放置的梯度表面能材料上液滴运动特性
• 3.4.1 水平放置梯度表面能材料上单个液滴运动特性
• 3.4.2 不同梯度表面能大小对液滴运动的影响
• 3.4.3 不同大小液滴对运动的影响
• 3.5 倾斜放置的梯度表面能材料上液滴运动特性
• 3.5.1 液滴在倾斜放置的梯度表面能材料上的运动特性
• 3.5.2 液滴大小对倾斜梯度表面能材料表面上运动特性的影响
• 3.6 梯度表面能材料上不同工质液滴的运动特性
• 3.6.1 工质乙二醇与水的物性
• 3.6.2 乙二醇和水在梯度表面能材料上的接触角
• 3.7 水平梯度表面能材料上乙二醇液滴运动特性
• 3.7.1 单个乙二醇液滴在水平梯度表面能材料上的运动特性
• 3.7.2 不同大小乙二醇液滴在水平梯度表面能材料上的运动特性
• 3.7.3 水与乙二醇在水平梯度表面能材料上运动的比较
• 3.8 倾斜梯度表面能材料上液滴运动特性
• 3.9 单个液滴在梯度表面能材料上运动的机理分析
• 3.10 梯度表面能材料上液滴运动的VOF 方法模拟
• 3.11 小结
• 4 梯度表面上液滴的聚合特性
• 4.1 引言
• 4.2 水平梯度表面能材料表面上液滴聚合
• 4.2.1 水平均质表面与梯度能表面液滴聚合特性的比较
• 4.2.2 液滴聚合过程中接触线变化
• 4.2.3 液滴聚合过程中接触角变化
• 4.2.4 液滴聚合过程中液桥的变化
• 4.2.5 液滴聚合对形成液滴速度的影响
• 4.3 液体薄层润滑对液滴运动的影响
• 4.4 水平梯度表面上大气环境与饱和蒸汽环境下凝结时液滴聚合对液滴运动速度的影响
• 4.5 小结
• 5 梯度表面能材料表面上凝结换热特性
• 5.1 引言
• 5.2 梯度表面能材料表面凝结换热可视化实验装置及实验方法
• 5.2.1 可视化实验系统设计
• 5.2.2 实验流程及实验步骤
• 5.3 测量参数及分析
• 5.4 梯度表面能材料表面上凝结表面换热系数
• 5.5 倾角对滴状凝结换热系数的影响
• 5.6 表面能梯度对滴状凝结换热系数的影响
• 5.7 小结
• 6 水平梯度表面能材料表面上的凝结换热理论模型
• 6.1 引言
• 6.2 液滴尺度分布及单个液滴换热计算
• 6.2.1 液滴尺度分布分析
• 6.2.2 单个液滴换热计算模型
• 6.3 水平梯度表面能材料表面上的凝结换热模型及计算方法
• 6.3.1 矩形一维梯度表面能材料表面上凝结换热模型及计算
• 6.3.2 圆形径向梯度表面能材料表面上凝结换热模型及计算
• 6.3.3 最大液滴半径的确定
• 6.4 水平梯度表面能材料表面上凝结换热计算结果及分析
• 6.4.1 模型计算结果与实验值的比较
• 6.4.2 壁面过冷度、表面能分布对表面凝结换热性能的影响
• 6.4.3 其它工质凝结换热预测和物性对凝结换热性能的影响
• 6.4.4 圆形径向梯度表面能材料表面上凝结换热预测
• 6.5 小结
• 7 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 进一步工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录