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中国科学：技术科学 2017年第2期47卷 190-196页

作者：胥义王婷邓笑杨婷婷王聪曹吉芳方丽萍上海理工大学生物系统热科学研究所上海200093

借助红外摄像和图像分析技术,并结合非等温结晶动力学模型理论分析,系统研究了微量低温保护剂溶液在液氮表面的leidenfrost效应及其影响因素.研究结果表明:微水滴的相变温度最高(约273K),最大结晶度变化率达到3×10^(-2),最大运动速度值... 详细信息

借助红外摄像和图像分析技术,并结合非等温结晶动力学模型理论分析,系统研究了微量低温保护剂溶液在液氮表面的leidenfrost效应及其影响因素.研究结果表明:微水滴的相变温度最高(约273K),最大结晶度变化率达到3×10^(-2),最大运动速度值为100~130mm/s,但其leidenfrost时间最短;随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度降低(20%和50%甘油分别约为250和225K),结晶变化率显著减小(20%和50%甘油分别约为1.4×10^(-3)和7×10^(-7)),其最大运动速度值也会降低(20%和50%甘油分别为90~120和85~105mm/s),且leidenfrost时间会随着浓度增大而增长;Vs55的相变温度最低(约158K),结晶度变化率最小(约2.8×10^(-16)),最大运动速度值降低到75~95mm/s,且其leidenfrost时间最长(约是水的2~3倍);微液滴体积越大,其Leidengfrost时间越长,但对低浓度溶液(水和20%甘油)最大运动速度的影响不大,而对于高浓度溶液(50%甘油和Vs55)则是呈现出"体积越大,速度越快"的变化趋势.这些结论对于微液滴玻璃化保存生物样本方案的优化设计具有重要的指导意义.

关键词：微液滴低温保护剂玻璃化保存 leidenfrost效应液氮

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表面活性剂液滴过渡沸腾的Marangoni效应与二次液滴形成

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物理学报 2023年第19期72卷 206-213页

作者：唐修行陈泓樾王婧婧王志军臧渡洋西北工业大学物理科学与技术学院超常条件材料物理与化学教育部重点实验室西安710129 西北工业大学材料学院凝固技术国家重点实验室西安710072

表面活性剂液滴撞击不同温度基底的动力学过程,在传热、冷却和打印等领域均有广泛涉及.本文利用高速摄影技术对表面活性剂SDS,CTAB和Triton X-100的水溶液液滴撞击热铝板的过程进行观测,研究不同表面活性剂液滴撞击热铝板动力学过程.实... 详细信息

表面活性剂液滴撞击不同温度基底的动力学过程,在传热、冷却和打印等领域均有广泛涉及.本文利用高速摄影技术对表面活性剂SDS,CTAB和Triton X-100的水溶液液滴撞击热铝板的过程进行观测,研究不同表面活性剂液滴撞击热铝板动力学过程.实验发现,处于过渡沸腾的表面活性剂液滴,在蒸发的最后阶段会形成一个处于非浸润状态的二次液滴.分析表明,液滴撞击基底后,液滴的三相接触线和液滴顶部产生温度梯度,三相接触线附近的表面活性剂分子浓度显著大于液滴顶部.由浓度梯度驱动的Marangoni效应使上层液体得以保持,并在蒸发的最终阶段,逐渐收缩为球形,形成二次液滴,在底部气泡爆炸产生的冲击下脱离基底并起跳.二次液滴的半径随初始液滴浓度升高而增大,最终达到饱和半径.该项工作阐明了二次液滴形成过程中表面活性剂的作用,为理解leidenfrost效应的物理机制以及调控沸腾传热提供了参考.

关键词：热基底表面活性剂 leidenfrost效应二次液滴

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高温锯齿表面形貌对leidenfrost液滴运动影响的实验研究

高温锯齿表面形貌对Leidenfrost液滴运动影响的实验研究

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作者：庄峻杰华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

液滴leidenfrost效应在工程领域具有广泛的应用前景,燃气轮机叶片利用leidenfrost效应产生的汽膜进行冷却,而核反应堆中的冷却需要避免leidenfrost效应的产生。研究发现通过改变表面形貌可以有效地控制液滴leidenfrost效应,然而目前研... 详细信息

液滴leidenfrost效应在工程领域具有广泛的应用前景,燃气轮机叶片利用leidenfrost效应产生的汽膜进行冷却,而核反应堆中的冷却需要避免leidenfrost效应的产生。研究发现通过改变表面形貌可以有效地控制液滴leidenfrost效应,然而目前研究较多是通过改变锯齿表面的结构参数来探讨液滴运动的影响,本文另辟蹊径地研究改变锯齿表面形貌对leidenfrost液滴运动的影响。在高温加热的条件下测试包括直齿表面、凸齿表面和凹齿表面三种表面形貌上液滴的运动,锯齿结构参数为h=1 mm,l=1mm,θ=45°。重点关注了三种表面对液滴leidenfrost温度转变、运动速度和运动方向的影响及其机理的分析解释。首先,在锯齿表面温度Tw=170～330℃范围内开展了三种高温表面上液滴运动的可视化实验,观测发现直齿表面上液滴出现了暴沸、前进和后退三种运动状态,根据运动状态按照锯齿表面温度范围依次划分为暴沸区、前进区和后退区。定义液滴从暴沸区向前进区转变的锯齿表面温度为leidenfrost转变温度Tleid,通过建立液滴与高温表面的传热模型,揭示了 Tleid与液滴初始温度之间的联系。通过对比三种表面液滴的转变温度,发现:凹齿与直齿表面液滴的转变温度相等Tleid=240℃,凸齿表面液滴的转变温度Tleid=200℃。基于辐射换热角系数的互换性、可加性、等值性,建立了液滴与锯齿表面间的辐射换热模型,发现凸齿表面上液滴的辐射热量高于直齿表面,而凹齿表面上液滴的辐射热量和直齿表面相接近,结合红外实验数据,解释了三种表面液滴的转变温度Tleid的差异性。定义液滴从前进区向后退区转变的锯齿表面温度为运动转向温度Tch,发现:凸齿与凹齿表面运动转向温度相等Tch=320℃,而直齿表面运动转向温度Tch=280℃。通过观察液滴在齿间运动过程中的底部形貌变化并对液滴进行受力分析,发现液滴从前进区向后退区转变的主要原因是液滴在锯齿上蒸汽泄流方向发生了改变,而运动转向温度不同的主要原因是随着温度升高凸齿与凹齿表面上的液滴存在不同于前进区的蒸汽泄流方式。通过统计比较三种表面上液滴的运动速度,发现:在相同的表面温度下Tw=260℃,凸齿表面上液滴运动的平均速度vave=9.6 cm/s,凹齿表面上液滴运动的平均速度vave=8.5 cm/s,直齿表面上液滴运动的平均速度vave=6.1 cm/s。基于受力分析可知,液滴运动过程中的阻力主要来源于锯齿结构,通过统计分析液滴运动时陷入锯齿结构的深度,发现凸齿表面上液滴运动时陷入的深度最浅,直齿表面上液滴运动时陷入的深度最深,解释了三种表面液滴运动速度的差异性。综上所述,本文采用高速摄像机进行可视化实验,建立了液滴换热模型,利用红外摄像机拍摄液滴温度验证了模型的准确性,揭示了锯齿表面形貌对leidenfrost液滴温度转变、运动速度及运动方向的影响,为微流体调控和减阻提供新的设计思路,对大规模工业应用具有指导意义。

关键词：高温表面锯齿表面形貌 leidenfrost效应液滴定向运动

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高温非对称结构表面液滴定向输运实验研究

高温非对称结构表面液滴定向输运实验研究

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作者：孙宽大连理工大学

学位级别：硕士

实现高温固体表面液滴的定向输运在传热、微流控以及减阻等领域具有广阔的应用前景。研究发现,当表面温度超过某一值时,液滴将悬浮在蒸发所产生的蒸汽层上,而不与表面直接接触,这被称为leidenfrost效应,对应的温度被称为leidenfrost温... 详细信息

实现高温固体表面液滴的定向输运在传热、微流控以及减阻等领域具有广阔的应用前景。研究发现,当表面温度超过某一值时,液滴将悬浮在蒸发所产生的蒸汽层上,而不与表面直接接触,这被称为leidenfrost效应,对应的温度被称为leidenfrost温度。现有研究主要通过设计复杂微结构表面引导气流定向扩散以实现高温表面液滴的定向输运。然而,现有研究中高温表面液滴的定向输运速度通常为10～20 cm/s,难以满足实际的工业需求。此外,复杂微结构的加工通常耗时较长且过程复杂,无法满足工业生产对于大规模制备的需求。因此,本文设计了三种具有快速定向输运功能的非对称结构,采用线切割和激光加工技术实现样品的快速制备,并对高温下液滴在其上定向输运的特性进行研究,具体工作如下:首先,结合线切割技术在多种金属表面加工出平面样品,并在高温样品表面开展液滴的定向输运实验。结果表明,液滴在高温平面样品表面能够自发地定向输运,且其定向输运速度随液滴韦伯数的增大而增大。进一步研究发现,由于线切割加工时电极丝的放电作用,自发地在样品表面生成了首尾相连的鳞片状结构。该结构能够引导气流定向逃逸,从而拖拽液滴定向输运。在此基础上使用线切割技术在304不锈钢表面加工出复合锯齿状结构。实验发现,在相同几何参数下,液滴在复合锯齿结构表面具有远高于在单尺度锯齿结构表面的定向输运速度,且此速度随表面温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,最高可达38 cm/s。此外,液滴定向输运速度随锯齿结构倾角的增大而增大。最后通过力学建模定性解释了复合锯齿结构强化液滴定向输运的机理。其次,为实现韦伯数较大液滴的定向输运,使用激光高效地在304不锈钢表面构筑两个相邻且具有不同尺寸和间距的类蛋托微阵列结构,测量发现两个区域具有不同的表面粗糙度。高温样品表面液滴的碰撞实验结果表明,当液滴撞击两个区域的分界处时,会自发地朝着表面粗糙度较大的区域定向弹跳。此外,液滴碰撞后定向弹跳的距离随温度和韦伯数的增加呈现先增大后减小的趋势。进一步研究发现,当液滴碰撞在两个区域的分界处时,由于相邻两区域的leidenfrost温度不同,液滴两部分将分别处于过渡沸腾和膜态沸腾状态,由此产生的非对称杨氏力是驱动液滴定向弹跳的主要原因。本文对高温条件下液滴定向输运功能表面的设计具有重要参考价值。

关键词：液滴定向输运 leidenfrost效应锯齿结构非均匀粗糙表面

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