超疏水微通道内水流动与传热特性的研究

论文摘要

本文通过酸化学刻蚀和表面修饰的方法,成功地在铝片上制备出了超疏水表面。经接触角测定,水滴在表面上的静态接触角均大于150°,接触角滞后约为4°（5μL液滴）。经电镜扫描分析发现超疏水表面上产生了由大量凸台和凹坑堆积而成的“迷宫”结构。研究结果表明,表面微细粗糙结构对表面的超疏水性起到了决定性作用,是制备超疏水表面的关键所在。本文分别从水滴在超疏水表面上的行为、有机物含量对疏水性的影响、水在超疏水表面上的相变过程等各个角度考察了超疏水表面的性能,发现超疏水表面具有疏水亲油、不粘水、易于形成蒸汽滴状冷凝等特性。在制备铝片超疏水表面的研究基础上,通过对制备工艺和实验条件的合理改进最终制备出了具有超疏水内表面的铝微通道,并对比研究了水在超疏/亲水微通道的流动与传热特性。实验结果表明:水在超疏水微通道内流动时的压力降和f·Re值要低于超亲水微通道,无量纲压降比有微小的浮动;超疏水微通道的表面传热系数及努塞尔数要略低于超亲水微通道。经分析得出在超疏水表面的固-液界面上存在一层由微纳米气泡构成的气膜,气膜的存在显著降低了水与壁面之间的剪切力,降低了水流过微通道时的摩擦阻力系数,产生了滑移,但由于空气热导率低,一定程度上阻碍了传热。将“无滑移边界条件”的静止气泡层的导热考虑在内,计算了含有空气层的超疏水表面微通道的表观传热系数,发现其表观传热系数低于超疏水表面的实验值,且随着空气层厚度的增加而愈加降低,即超疏水表面的传热性能要好于“无滑移边界条件”并考虑静止空气层导热的传热性能。因此提出了在水的滑移速度作用下,凹穴内的空气将产生涡旋流动的设想,并认为这一过程对传热起到了强化作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 超疏水表面及微/细通道内流体流动和传热的研究概况
• 1.1 超疏水表面
• 1.1.1 超疏水表面基本理论
• 1.1.2 超疏水表面制备技术的研究现状
• 1.1.3 超疏水表面的应用前景及发展方向
• 1.2 滑移
• 1.2.1 滑移基本概念
• 1.2.2 滑移流动的影响因素
• 1.2.3 滑移流动的研究进展
• 1.2.4 基于气层假设的滑移流动模型
• 1.3 微/细通道内流体流动和传热的研究概况
• 1.3.1 微/细通道内流体流动特性的研究概况
• 1.3.2 微/细通道内流体传热特性的研究概况
• 2 铝片超疏水表面的制备
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料与试剂
• 2.1.2 氟硅烷溶胶的制备
• 2.1.3 制备方法
• 2.1.4 超疏水表面的表征方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 超疏水表面的微细结构分析
• 2.2.2 氟硅烷对表面进行化学改性的机理
• 2.2.3 超疏水表面的润湿性
• 2.2.4 影响疏水性的实验因素
• 2.3 小结
• 3 超疏水表面的疏水特性
• 3.1 水滴在超疏水表面上的行为分析
• 3.2 水中有机物的含量对润湿性的影响
• 3.3 水在超疏水表面上的相变过程
• 3.4 小结
• 4 超疏水表面微通道内的流动与传热
• 4.1 超疏水表面微通道制备
• 4.1.1 实验材料与试剂
• 4.1.2 制备方法
• 4.1.3 超疏水表面微通道的表征方法
• 4.1.4 超疏水表面微通道的微细结构及润湿性
• 4.2 微通道内水的流动与传热特性的研究
• 4.2.1 实验部分
• 4.2.2 数据处理
• 4.2.3 实验结果及讨论
• 4.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢