凹槽结构强化超疏水表面液滴合并弹跳的动力学研究

作     者：吴卫民 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王芳;郑佳宜

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：凹槽结构 超疏水表面 液滴合并弹跳 凹槽宽高比 液滴尺寸 表面张力 

摘      要：超疏水表面由于自身具有较低的表面能,可使液滴在表面上保持类球状,因而具有极高的运动性。当液滴在超疏水表面互相接触发生合并时,合并过程中会释放多余的表面能,其中一部分转化为液滴的弹跳动能,使液滴弹离表面,即为超疏水表面的液滴合并弹跳行为。液滴合并弹跳行为大幅度提升了表面液滴的更新频率,从而强化传热。液滴合并弹跳的显著特点是,无需在外力(场)作用下即能使液滴弹离表面并发生扫掠现象,在表面自清洁、防冰抑霜、热二极管、雾水收集和发电等领域显示出巨大的应用潜力。但液滴合并弹跳发生的条件较为苛刻,液滴自身的物性参数、弹跳速度等对其最终能否脱离表面具有重大影响,因此,如何强化液滴合并弹跳,提高传热效率是未来研究的重中之重。在此基础上,本文以超疏水凹槽表面上的液滴为研究对象,通过数值模拟、理论分析和实验观测,系统地研究了超疏水凹槽表面上的液滴合并弹跳现象及其影响因素,揭示了凹槽形状、几何尺寸、液滴尺寸和表面张力等对液滴弹跳速度和表面能转化率的影响规律,相关研究成果对设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换热器表面结冰、成霜等工业领域有重要的应用意义。 采用数值模拟和实验观测研究了超疏水平面和凹槽表面上的液滴合并弹跳过程,研究结果表明,液滴弹跳过程可分为液桥生长、液桥撞击壁面、三相线收缩和液滴弹跳四个阶段,其中液滴内部的拉普拉斯压力差和壁面的反作用力为液滴弹离表面的主要驱动力,液桥撞击壁面是液滴合并后是否发生弹跳的必要条件。 矩形槽的直角型槽脊可增大合并液滴的内部扰动及拉普拉斯压力差,提高液滴表面能转化率;V型槽的钝角型槽脊及侧壁的协同作用,增大了液滴的内部扰动及压差,抑制了液滴的横向膨胀,从而减小了液滴弹跳前的粘性耗散。梯形槽则在直角槽脊和凹槽侧壁协同作用下,当凹槽槽宽、宽高比和液滴合并半径相同时,液滴的表面能转化率分别是矩形槽与V型槽的1.65倍和1.5倍。此外,梯形槽较矩形槽与V型槽对大液滴的弹跳速度和表面能转化率表现出极显著的提升效果。 矩形槽、V型槽和梯形槽提高液滴合并弹跳速度和表面能转化率与槽宽、槽深和液滴半径有关,存在最佳宽高比和最优液滴合并半径。槽宽不变时,凹槽结构强化液滴合并弹跳最佳宽高比为W/H=1.5;凹槽宽高比不变时,液滴最优合并半径随槽宽增大而增大,且液滴半径R0.5W时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小。液滴合并弹跳的半径比ω对液滴合并形态、液滴弹跳速度及表面能转化率有重要影响。液滴初始合并半径RL相同,凹槽宽高比恒定时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径比ω先增大后减小,并在ω=1时达到最大值。这说明非等直径液滴合并相比等直径液滴合并不利于液滴弹跳。 在相同凹槽宽高比和液滴合并半径下,液滴弹离表面时间随表面张力增大而减小,该趋势随液滴合并半径增大而愈显著;当凹槽宽高比和液滴合并半径相同,液滴弹跳速度随表面张力增大而增大,W/H=1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径增大而减小,W/H1时,液滴弹跳速度和表面能转化率随液滴半径先增大后减小,且在W/H=1.5时,液滴表面能转化率有最大值45.99%。