亲疏水纳米结构对液滴润湿行为及冷凝传热机理的分子动力学研究

作     者：李文 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：徐进良;彭烁

授予年度：2021年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

主      题：亲疏水 纳米结构 表面过冷度 脱湿转换 润湿行为 滴状冷凝 

摘      要：滴状冷凝在日常生活和工业生产中具有广泛的应用。由于实验技术和理论模型的限制,当液滴的特征尺度为纳米级别时,宏观尺度下能够忽略的某些影响因素,如分子间的范德华力、液体流动出现的壁面滑移效应、传热过程出现的温度阶跃等,变得不容忽视。因此,纳米尺度下,物理现象所具有的尺度效应和界面效应逐渐成为探究液滴动力学和冷凝传热等宏观尺度现象影响机理的重要因素。本文采用分子动力学的方法,探讨了液滴在亲疏水纳米结构表面的润湿行为及表面冷凝过程。研究了不同表面浸润性和纳米结构倾角时,液滴在粗糙表面的润湿行为及表观接触角的变化规律;揭示了表面浸润性、纳米结构柱间距和表面过冷度对表面冷凝模式的影响机制;探讨了微尺度引起的界面效应和尺度效应对蒸汽成核、生长、合并及动态润湿和脱湿转换过程的影响。已有文献主要探讨了液滴在微柱阵列纳米结构表面的润湿行为。本文首先研究了纳米结构倾角及表面浸润性对氩液滴在铂固体壁面上的润湿模式及不同模式相互转换过程的影响。模拟采用了三种纳米结构,倾角φ分别为60°(倒梯形)、90°(长方形)及120°(正梯形),以本征接触角θe表征表面浸润性。研究表明:当θe118°时,液滴在纳米结构表面均呈Wenzel状态,即液体向纳米结构缝隙完全渗透;当118°θe145°时,倒梯形纳米结构有助于形成Cassie液滴,即液体不向纳米结构缝隙渗透,正梯形纳米结构容易使液滴形成Partial Wenzel状态,即液体向纳米结构缝隙部分渗透。分析表明,三种纳米结构倾角对液滴润湿模式的影响及转换满足最小自由能原理。采用分子动力学模拟方法,以氩为工作流体,对比研究了垂直(φ=90°)和倒梯形(φ=60°)纳米结构表面的液滴动态润湿特性。发现倒梯形纳米结构有助于驱动纳米结构间隙中的液体分子向表面运动,使得纳米结构倾向于保持干燥状态,有助于实现Wenzel-Cassie状态的转变。进一步研究了倒梯形(φ=60°)纳米结构表面的冷凝传热。讨论了不同表面浸润性、纳米结构柱间距和表面过冷度对冷凝过程中液滴动力学和动态润湿状态的影响。发现合理的设计纳米结构几何尺寸和表面浸润性,可以实现冷凝液滴的脱湿转换,即液滴由Wenzel状态转换为Cassie状态;且脱湿转换过程的发生受到表面过冷度的影响。低中表面过冷度下,冷凝过程只存在单次成核和一次脱湿转换,脱湿机理为单个液滴在拉普拉斯压差作用下将纳米结构间隙内液体原子拉出;而高表面过冷度下,液滴的凝结过程经历了多次核化与多次脱湿转换过程。脱湿机理分为两种:当体系内只存在单个冷凝液滴时,脱湿机理同低中表面过冷度保持一致;当体系内存在两个甚至多个冷凝液滴时,脱湿过程的完成依赖于多个液滴合并时释放的表面能和合并后自身液滴内部的拉普拉斯压差的共同作用。