论文部分内容阅读
面对日趋严峻的能源和环境气候问题，发展高效的能源利用技术对我国经济社会的可持续性稳定发展至关重要。气液相变作为自然界中一种很常见也很有效的能量传递过程被广泛应用于涉及传质和热交换过程的工业设备中。增强气液相变的换热传质效率可以提高工业生产过程的能源利用效率，进而保证我国节能减排目标的实现。固体表面作为气液相变过程的发生载体，其属性会显著影响该过程的传热传质效率，因此设计和生产出能提高相变传热传质性能的工程化微纳结构表面极具研究和应用价值。本文针对发生于纳米结构表面上的液滴传输过程和气液相变过程，研究了其内部细节和机理，系统探讨了表面的物理化学性质对上述过程的调控作用。论文的主要结果及结论如下：
(1)表面的粗糙结构会降低纳米液滴在动态铺展过程中的铺展速度，此外表面固相分数的减小会使得纳米液滴的静态润湿模式由悬浮的Cassie状态过渡为部分润湿PW状态，最终转变为完全浸润的Wenzel状态，纳米液滴的静态接触角也随之先增加后减小。
(2)纳米液滴撞击表面过程中，其最大铺展时间与液滴撞击速度之间呈幂函数关系，最大铺展系数随液滴撞击速度和雷诺数以指数函数形式变化。此外，降低表面的固相分数不仅会减小液滴的最大铺展系数，还会提高其撞击回弹速度。最后，通过分析和修正各能量项和黏性耗散项，我们提出了一个能描述最大铺展系数和撞击速度之间关系的修正模型，该模型能够更加精确地预测纳米液滴的撞击行为。
(3)纳米液滴的合并过程遵从惯性—有限黏性模式：液桥半径以幂函数形式进行扩展生长。纳米尺度的液滴在发生合并之后也可能会自弹跳离开表面，这取决于结构表面的物理化学性质：表面润湿性的降低和固相分数的减小会降低固液吸引力，因此表面对液滴施加的黏附功也随之减小，纳米液滴合并之后将会以较高的速度弹离表面。此外，液滴数目的增加，液滴初始尺寸的增加或液滴初始尺寸比的减小会使得纳米液滴合并后的跳跃速度和能量转换效率也随之降低。
(4)纳米液滴在结构表面上的蒸发过程先后呈现固定接触角CCA、固定接触半径CCR和混合模式，在各模式中，钉扎力和去钉扎力的耦合作用会使得三相接触线产生移动收缩和钉扎黏附等行为。而蒸发诱导的CCA-CCR模式转变本质上是由液滴Cassie-Wenzel润湿模式转变所引起的，并且它受表面结构尺寸和本征润湿性的影响：减小表面结构间距或者增强表面疏水性会延迟液滴CCA-CCR蒸发模式转变的发生，同时使得液滴具有较高的蒸发速率。
(5)水蒸汽在纳米结构表面上的凝结过程中，凝结核倾向于在结构表面的低势能位置成核，其生长模式主要包括自然生长和合并生长：在自然生长阶段中，凝结核的尺寸随时间线性增长；在合并生长阶段中，小液滴间的相互合并会影响所形成大液滴的润湿模式，诱导液滴发生去润湿转变。此外，与均一润湿性结构表面相比，位置分布规律的成核机制配合珠状凝结模式会赋予混合润湿性结构表面更优秀的凝结传质性能，并且其凝结速率随着表面固相分数的增加而提升。结果说明合理地减小结构间距不仅能限制浸润Wenzel状态液滴的产生，还能提高结构表面的凝结传热传质效率。
本文选取了生活生产过程中常见的物理现象，分别探究了发生在纳米结构表面上的液滴传输过程和气液相变过程，研究结果既加深了我们对这些现象的内部细节和机理认识，也能为结构表面设计和优化提供指导，具有较积极的研究意义。
(1)表面的粗糙结构会降低纳米液滴在动态铺展过程中的铺展速度，此外表面固相分数的减小会使得纳米液滴的静态润湿模式由悬浮的Cassie状态过渡为部分润湿PW状态，最终转变为完全浸润的Wenzel状态，纳米液滴的静态接触角也随之先增加后减小。
(2)纳米液滴撞击表面过程中，其最大铺展时间与液滴撞击速度之间呈幂函数关系，最大铺展系数随液滴撞击速度和雷诺数以指数函数形式变化。此外，降低表面的固相分数不仅会减小液滴的最大铺展系数，还会提高其撞击回弹速度。最后，通过分析和修正各能量项和黏性耗散项，我们提出了一个能描述最大铺展系数和撞击速度之间关系的修正模型，该模型能够更加精确地预测纳米液滴的撞击行为。
(3)纳米液滴的合并过程遵从惯性—有限黏性模式：液桥半径以幂函数形式进行扩展生长。纳米尺度的液滴在发生合并之后也可能会自弹跳离开表面，这取决于结构表面的物理化学性质：表面润湿性的降低和固相分数的减小会降低固液吸引力，因此表面对液滴施加的黏附功也随之减小，纳米液滴合并之后将会以较高的速度弹离表面。此外，液滴数目的增加，液滴初始尺寸的增加或液滴初始尺寸比的减小会使得纳米液滴合并后的跳跃速度和能量转换效率也随之降低。
(4)纳米液滴在结构表面上的蒸发过程先后呈现固定接触角CCA、固定接触半径CCR和混合模式，在各模式中，钉扎力和去钉扎力的耦合作用会使得三相接触线产生移动收缩和钉扎黏附等行为。而蒸发诱导的CCA-CCR模式转变本质上是由液滴Cassie-Wenzel润湿模式转变所引起的，并且它受表面结构尺寸和本征润湿性的影响：减小表面结构间距或者增强表面疏水性会延迟液滴CCA-CCR蒸发模式转变的发生，同时使得液滴具有较高的蒸发速率。
(5)水蒸汽在纳米结构表面上的凝结过程中，凝结核倾向于在结构表面的低势能位置成核，其生长模式主要包括自然生长和合并生长：在自然生长阶段中，凝结核的尺寸随时间线性增长；在合并生长阶段中，小液滴间的相互合并会影响所形成大液滴的润湿模式，诱导液滴发生去润湿转变。此外，与均一润湿性结构表面相比，位置分布规律的成核机制配合珠状凝结模式会赋予混合润湿性结构表面更优秀的凝结传质性能，并且其凝结速率随着表面固相分数的增加而提升。结果说明合理地减小结构间距不仅能限制浸润Wenzel状态液滴的产生，还能提高结构表面的凝结传热传质效率。
本文选取了生活生产过程中常见的物理现象，分别探究了发生在纳米结构表面上的液滴传输过程和气液相变过程，研究结果既加深了我们对这些现象的内部细节和机理认识，也能为结构表面设计和优化提供指导，具有较积极的研究意义。