表面形貌对初始滴状冷凝的影响

论文摘要

滴状冷凝表面的传热性能与表面的几何结构特征有密切的联系，前人在滴状冷凝研究中尚未在纳米尺度研究初始液核与材料表面形貌的关系，有关研究仅限于微米尺度。为了寻求初始液核的形成与材料表面形态的关系，本文以能与热水(冷凝液)反应的镁膜表面作为冷凝表面，反应后镁膜表面的化学成分将发生变化，初始冷凝液核的形态将被保留在镁膜表面上。首先以磁控溅射的方法制备出能与冷凝水反应并留下“印记”的具有纳米表面形貌的镁膜表面。原子力显微镜进行检测的结果表明，磁控溅射所得镁膜表面平均粗糙度为23nm。通过电子探针检测磁控溅射镁膜厚度为21μm，这说明衬底完全被镁覆盖。所以磁控溅射法制备的镁膜适宜作为实验用的冷凝表面，并能满足冷凝实验后电子探针面扫描的要求。利用扫描电子显微镜拍摄镁膜表面的形貌图象，运用分形理论对镁膜表面冷凝前表面形貌的复杂程度进行量化研究，选用差分计盒维数法计算镁膜表面冷凝前表面形貌的分形维数。在相近的冷凝条件下，选取不同磁控溅射条件下制备的镁膜作为冷凝表面。通过控制过冷度和冷凝时间而实现蒸汽在镁膜表面的初始冷凝，然后应用电子探针和扫描电镜检测分析冷凝前后试件表面化学成分的变化。以冷凝表面上氧元素的增量来表征所形成冷凝液的量，运用数字化图象的相关处理技术对冷凝后镁膜表面上的氧元素分布图进行分析，推断蒸汽初始冷凝时形成的成核中心密度。结果表明冷凝试件的表面形貌特征对初始滴状冷凝的液核数有较大影响，其分形维数不同，冷凝后镁表面初始液核数也不同。在实验的基础上，建立了能够反映表面分形维数对成核中心密度影响的定量关系式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 文献综述
• 1.1 本课题的来源和研究意义
• 1.2 滴状冷凝的研究和发展现状
• 1.2.1 滴状冷凝的实现方法
• 1.2.2 滴状冷凝的微观机理
• 1.2.3 滴状冷凝传热的影响因素
• 1.3 分形理论基础
• 1.3.1 分形学的兴起和发展
• 1.3.2 分形的特征
• 1.3.3 分形维数
• 1.3.4 分形维数的物理意义及应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 冷凝表面制备及滴状冷凝换热实验装置与实验方法
• 2.1 冷凝表面的制备
• 2.1.1 磁控溅射技术
• 2.1.2 镁膜的制备流程
• 2.1.3 镁膜的分析方法
• 2.2 冷凝实验装置与方法
• 2.2.1 滴状冷凝实验装置
• 2.2.2 主要部件
• 2.2.3 实验流程
• 3 基于图象处理技术的表面分形维数的计算
• 3.1 图像处理系统构成
• 3.2 数字化图像
• 3.3 点运算
• 3.3.1 灰度直方图
• 3.3.2 灰度的线性变换
• 3.4 数字化图像处理
• 3.4.1 魏纳滤波
• 3.4.2 直方图的均衡化
• 3.4.3 直方图的规定化
• 3.5 图象分析
• 3.5.1 去噪声
• 3.5.2 图像锐化
• 3.6 镁膜表面分形维数的计算
• 4 表面形貌与滴状冷凝液滴形成的关系
• 4.1 镁膜表面形貌对冷凝后表面氧元素含量的影响
• 4.1.1 冷凝前后镁膜表面氧元素含量的变化
• 4.1.2 镁膜表面分形维数与冷凝后镁膜表面氧元素的含量的关系
• 4.2 成核中心密度与分形维数的关系
• 结论
• 参考文献
• 附录A 分形维数的计算程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢