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凹槽结构强化超疏水表面液滴合并弹跳的动力学研究

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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：吴卫民南京理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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R>0.5W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/H>1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%。

关键词：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

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圆环槽表面液滴合并弹跳调控及机理研究

圆环槽表面液滴合并弹跳调控及机理研究

作者：栗晓杰大连理工大学

学位级别：硕士

实现表面液滴合并弹跳的调控在强化冷凝传热、抗结冰、自清洁等领域具有重要的应用前景。研究发现,当液滴在超疏水表面合并时,由于合并后液滴表面积的减小,多余的表面能将转化为驱动液滴从表面弹跳脱离的动能,这被称为合并诱导的液滴弹... 详细信息

实现表面液滴合并弹跳的调控在强化冷凝传热、抗结冰、自清洁等领域具有重要的应用前景。研究发现,当液滴在超疏水表面合并时,由于合并后液滴表面积的减小,多余的表面能将转化为驱动液滴从表面弹跳脱离的动能,这被称为合并诱导的液滴弹跳现象。现有的研究主要是通过对表面结构进行设计来提高液滴合并后的弹跳速度以及调控液滴弹跳方向。现有的表面结构比较复杂,容易破坏,无法进行大规模制备以满足实际生产应用。因此,本文设计了一种可以调控液滴弹跳方向的系列不同曲率的环形槽结构,采用基于投影的光固化3D打印技术可以实现该结构的精确制备,并在该结构表面进行液滴合并弹跳实验与理论研究,具体工作如下:首先,使用基于投影的光固化3D打印技术制备出不同曲率的环形槽结构表面,并在该表面进行液滴合并弹跳实验。结果表明,随着槽曲率的增加液滴合并后的弹跳方向由与表面方向垂直逐渐减小至63.5°,不同曲率槽内的液滴合并后的表面能的转化率均为43.5%,这表明通过改变槽的曲率能够调控液滴合并弹跳方向且不会改变表面能转化率。对比了矩形与半圆两种槽截面,发现槽截面对液滴弹跳方向没有影响,半圆截面能够得到更高的表面能转化率。除此之外,研究发现液滴弹跳角度与液滴尺寸无关,当液滴直径为1.3mm时,表面能转化率达到最大为45.5%。该结构表面能够有比较大的能量转化率的原因有两点,其一,相比较于普通平面该结构表面下液桥有较大的撞击面积,其二,槽的形状限制了合并过程中液滴的振荡,在很大程度上减小了因粘性耗散所损失的能量。最后基于液桥撞击理论建立理论模型来解释液滴合并后的弹跳方向随槽曲率的变化机理。其次,使用COMSOL的两相流模型对液滴合并过程进行仿真,探究其平行于表面动量的形成过程。从内部压力分布可以看出,在合并过程中液桥区域的压力值较小,这是流体涌向液桥的重要原因。随着合并时间发展,液滴区域沿着平行于表面的动量逐渐增加,当槽的曲率增加至1.2时,在在整个合并过程中平行于表面的动量逐渐增加至最大值。此外增加了额外三组曲率,发现当曲率为1.4时,其平行于表面的动量能够达到最大值,当槽的曲率增加至1.6时,内部壁面难以阻挡液桥的撞击,发生液桥穿透现象,此时液体区域平行于表面的动量减小并变为负值。因此可知在1.4与1.6之间存在一个曲率的最佳值来获得更小的弹跳角度。

关键词：环形槽结构表面液滴合并弹跳弹跳方向表面能转化率两相流模拟

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受限微结构对低表面张力液滴合并弹跳的影响

化工学报 2021年第4期72卷 1920-1929页

作者：彭启贾力丁艺张永欣党超银了飞北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 微细尺度流动与相变传热北京市重点实验室北京100044

设计并制备了CuO纳米结构和矩形微槽相结合的层级微槽超疏水表面,采用去离子水、质量分数为8%和16%的乙醇溶液为工质,研究了三种表面张力的单个液滴在微槽内的受限生长特征以及槽内变形液滴与槽外正常液滴的合并弹跳行为,探讨了受限微... 详细信息

设计并制备了CuO纳米结构和矩形微槽相结合的层级微槽超疏水表面,采用去离子水、质量分数为8%和16%的乙醇溶液为工质,研究了三种表面张力的单个液滴在微槽内的受限生长特征以及槽内变形液滴与槽外正常液滴的合并弹跳行为,探讨了受限微结构对较低表面张力液滴合并弹跳的影响。结果表明,在Laplace压力差的驱动下,微槽内受限变形的水滴发生自弹跳行为,随着溶液中乙醇浓度的提升,液体表面张力减小,表面对液滴的吸附增强,乙醇质量分数为8%和16%的槽内变形液滴不发生自弹跳,而是爬升并悬浮于微槽上方。受限微结构对液滴合并弹跳的强化作用随液体表面张力的减小而减弱,与去离子水相比,乙醇质量分数为8%和16%的受限变形液滴与槽外正常液滴的合并弹跳速度分别降低了26.7%和75.9%,能量转化效率分别降低了17.8%和90%。

关键词：超疏水液滴合并弹跳界面张力流体动力学纳米结构受限生长乙醇溶液

基于晶格Boltzmann方法的液滴弹跳现象的研究

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基于晶格Boltzmann方法的液滴弹跳现象的研究

作者：耿孟孟广西师范大学

学位级别：硕士

在一定条件下,具有纳米结构的超疏水表面上形成的液滴合并后能够自发弹跳,这对于实现高效滴状冷凝传热、抗结露与抗结冰以及表面自清洁等过程具有重要的意义。研究液滴合并后能够发生弹跳所需的条件,对于认识和理解液滴合并后诱导弹跳... 详细信息

在一定条件下,具有纳米结构的超疏水表面上形成的液滴合并后能够自发弹跳,这对于实现高效滴状冷凝传热、抗结露与抗结冰以及表面自清洁等过程具有重要的意义。研究液滴合并后能够发生弹跳所需的条件,对于认识和理解液滴合并后诱导弹跳现象的本质以及研究新型的超疏水性纳米结构材料表面具有重要的理论和应用价值。目前已有许多研究者分别从实验、理论以及数值模拟方面对液滴合并后诱导的弹跳现象进行了研究,并已取得了大量的成果。其中数值模拟方法由于拥有无需昂贵、费时的实验,可以连续动态地显现问题的发展过程以及显示发生在物质结构内部的现象等优势得到了众多研究者的认可。但是在数值模拟方面仍然还存在一些不足以及需要更进一步研究的问题,例如理论预测、数值模拟与实验结果之间还存在较大偏差,数值模拟多限于二维情形,真实情况下的三维模拟相对较少。迄今为止,对液滴在超疏水纳米结构材料表面上合并后诱导弹跳规律的数值模拟研究还不够系统、全面和详尽。数值模拟中的晶格Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)是近年来发展起来一种较新的借助于微观模型来模拟多相流现象的宏观行为的介观方法,与传统方法相比较,因其具有简单性、局部性、天然的并行性和能够处理复杂的边界问题已成为模拟复杂流动现象的有力工具。目前,晶格Boltzmann方法已经成功的应用到多孔介质流、多相流、湍流、化学流等复杂系统的模拟研究领域。本文采用基于化学势的三维晶格Boltzmann多相流模型比较系统、全面地研究与分析影响液滴在超疏水性纳米结构材料表面上合并后发生弹跳的条件与因素、液滴合并弹跳的过程以及预测液滴弹跳的高度等。首先通过使用Laplace定律验证了该多相流模型的正确性;然后使用两相共存密度模拟实验获得的结果与使用Maxwell等面积重构求解得到的两相共存密度理论值比较,两者结果吻合得很好,证明了模型具有热力学一致性;接着通过在表面张力的作用下方形液滴逐渐变圆模拟以及两个相互靠近的液滴自发合并过程模拟实验,初步验证了该模型具有能够正确模拟简单多相流流体行为的能力;最后采用经过验证的模型对多个液滴在不同条件的超疏水性纳米结构材料表面上合并后弹跳的多相流复杂现象进行了数值模拟与分析,研究合并液滴在指定的条件下是否能够发生弹跳,合并弹跳的过程以及预测弹跳的高度。数值模拟结果表明,合并液滴的大小与数目,超疏水性纳米结构材料表面的特征,如纳米柱高,纳米柱间距以及材料表面的润湿性(表面接触角)等因素对合并液滴是否能发生弹跳以及弹跳的高度均具有重要的影响。一般说,只有比较小的多个液滴合并后才能诱发弹跳,合并液滴比较多时弹跳高度越高,材料表面的纳米柱间距越大越不容易发生弹跳,纳米柱越高以及表面接触角越大更容易发生液滴合并后弹跳现象,并且弹跳的高度也越高,这些获得的结果与现有通过实验方法观察得到的结果相一致。因此,我们采用基于化学势的三维晶格Boltzmann多相流模型模拟对液滴在超疏水性纳米结构材料表面上合并后弹跳现象进行研究,有助于人们认识和理解液滴合并后诱导弹跳现象的本质以及有望给研究新型的超疏水性纳米结构材料表面提供理论参考。

关键词：晶格Boltzmann方法化学势液滴合并弹跳超疏水性表面

平/曲面微坑阵列基底的激光微纳制备及其微滴操控效应研究

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平/曲面微坑阵列基底的激光微纳制备及其微滴操控效应研究

作者：崔泽航西南科技大学

学位级别：硕士

本文将前沿仿生理念与先进激光微纳精密制造技术有机结合,探索激光精密制备平/曲面微滴操控功能基底及其微纳结构的成形机制,分别研究平面与锥形曲面基底对微液滴的动态操控力学过程。基于微滴操控平/曲面基底的精密制备,理论分析与实... 详细信息

本文将前沿仿生理念与先进激光微纳精密制造技术有机结合,探索激光精密制备平/曲面微滴操控功能基底及其微纳结构的成形机制,分别研究平面与锥形曲面基底对微液滴的动态操控力学过程。基于微滴操控平/曲面基底的精密制备,理论分析与实验对照并行开展研究工作,本课题包括以下几个方面:针对当前超疏水表面微液滴冷凝去除基底的高粘附属性与日益增长的高效自清洁需求之间的矛盾,基于微滴合并释放能量转化为势能驱动液滴的弹跳运动与表面微纳结构间的理论关系,开展平面基底微滴冷凝诱导高效弹跳自去除研究。以激光直写技术为手段,制备微坑阵列超疏水低粘附微滴操控平面基底(水滴接触角165°,滚动角为0.6°),用于蒸汽的快速冷凝及高效去除,重点探索微坑阵列作用下微滴的生长合并机制,进行微滴合并诱导弹跳行为力学过程分析与表面微坑阵列结构优化设计,阐述微坑平面基底的低粘附等性能与微滴自去除效率间的数据关系。该研究推动了微滴操控平面基底在自清洁等领域的发展,为微纳米多功能结构表面的开发提供解决思路。针对低表面能微液滴难以定向传输与筛选收集等难题,受鱼刺空气中定向输油功能启发,结合精密3D打印增材制造与激光直写微纳技术,制备锥刺状曲面微滴操控基底(仿生鱼刺液体分流器),实现特定表面能范围内(15-48 m N m)液体的选择性超快定向传输,速率可达265.3 mm s,可传输表面能范围内,表面能越低,输送速度越快。基于各表面能液滴的运输速度差,通过提取表面能较低的成分,实现不同表面能混合有机微滴的分离提纯。重点研究仿生结构几何参数与传输性能之间的关系,对锥度、微坑密度等参数进行优化,通过运输速率、运输油滴的种类以及传输效率等对比鱼刺本身与其仿生结构的定向运输性能,制备多锥刺组装式液体分流器,实现仿生器件规模化。仿生分流器的制备为低表面能油滴的高效定向输送处理开辟新的途径,推动微滴操控面向微乳液分离、生化检测等实际应用的快速发展。

关键词：超快激光仿生基底液滴合并弹跳表面能筛选微滴分离