疏水-超疏水组合表面倾斜管外混合蒸气冷凝过程

本文在铜管外制备疏水超疏水组合表面,控制铜管和重力方向的倾角为0°、30°、45°、60°,利用高速摄像系统研究混合蒸气冷凝过程中表面润湿性和重力的协同调控机制,观测了液滴的动态特性,测量了组合表面上混合蒸气传热性能.结果表明:倾角增大,组合表面上的冷凝液滴会偏离重力方向沿着疏水环向下冲刷;倾角60°时,疏水区域的液滴会合并到相邻的上下超疏水区域;和亲水光滑铜管相比,组合表面上含不凝气30%的混合水蒸气冷凝传热随倾角度增加先下降、之后保持不变、最后升高,分别提高50%～65%(竖直)、35%～55%(倾角30°和45°)、45%～55%(倾角60°)。     

含有不凝气体的蒸汽滴状冷凝传热实验研究

本文对饱和水蒸气和空气的混合物在垂直表面上滴状冷凝传热特性进行了实验研究。考察了不同的压力条件下不凝气对冷凝传热的影响。与膜状冷凝实验结果对比表明,滴状冷凝对含有不凝气的蒸汽冷凝传热有强化作用;在较高的冷凝压力下不凝气体对传热的影响相对较小。     

蒸汽剪切驱动液滴行为的格子Boltzmann模拟

滴状冷凝过程中,存在蒸汽流动对液滴的吹扫作用,液滴在蒸汽剪切作用下克服壁面黏附变形和运动,液滴运动速度越大,冷凝传热性能越高。但是液滴在蒸汽作用下变形和运动的细节还不清晰,蒸汽速度对液滴变形和运动的影响机理还不明确。本文采用自由能格子Boltzmann方法研究了在不同蒸汽速度剪切作用下,液滴在具有不同润湿性固体表面上的变形和运动过程,分析了蒸汽速度和接触角对液滴变形和运动的影响机制,结果显示随着蒸汽速度的增加,液滴变形越大,液滴在固体表面的运动速度越大,停留时间越短,有利于液滴的移除和表面更新,相同蒸汽速度的作用下,液滴在接触角大的固体表面上变形和运动速度越大,也有利于液滴的移除和表面更新。从而定性或半定量地揭示了蒸汽速度影响蒸汽滴状冷凝传热的物理机制。     

超疏水-疏水组合表面蒸汽冷凝的实验研究

液滴的快速脱落和移除对蒸汽滴状冷凝传热具有重要的影响,超疏水表面由丁二具有接触角大,接触角滞后小的优点而用于驱动冷凝液滴的自发运动,但是,常压蒸汽在超疏水表面冷凝时,液滴的润湿形态还没有定论。本文设计了超疏水疏水条纹间隔排列的超疏水一疏水组合表面,研究了常压蒸汽在组合表面上的冷凝过程,观测了液滴的运动特性,测量了超疏水一疏水组合表面上常压蒸汽冷凝传热性能。实验结果显示疏水区液滴在表面张力差的作用下从疏水区向超疏水区自发迁移,说明超疏水区液滴处于Wenzel润湿形态,超疏水一疏水组合表面蒸汽冷凝传热性能比完全超疏水和完全疏水表面传热性能的面积加权平均值大。说明液滴的自发迁移运动强化了疏水区的传热性能。     

蒸汽滴状冷凝液滴表面温度分布及演化

利用红外热成像技术研究了蒸汽滴状冷凝中液滴合并过程表面温度分布及演化机制,并基于此分析了不同尺寸液滴表面温度随传热通量变化的分布规律。实验结果表明:与蒸汽在微小液滴表面发生连续冷凝不同,液滴合并过程中蒸汽通过四个阶段实现在大液滴表面的周期性冷凝传热;其中,在液滴吸收蒸汽冷凝放热阶段和向壁面传热阶段之间存在一个平衡,高热通量时,蒸汽向液滴表面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而升高;低热通量时,液滴向冷凝壁面传热过程占主导,液滴表面温度随尺寸增加而降低。液滴运动引起的蒸汽在大液滴表面直接冷凝过程为强化低压蒸汽冷凝传热提供了新思路。     

差异化疏水铜表面的冷凝传热实验研究

为研究差异化疏水结构表面蒸汽滴状冷凝传热特性,首先在铜表面通过化学刻蚀法制备了不同的CuO与Cu(OH)_2微纳米复合微结构,通过十八硫醇自组装进一步修饰后,获得了具有不同静态接触角和表面能的差异化疏水表面。实验研究了不同微结构及其接触角对滴状冷凝传热性能的影响,并对冷凝传热过程中液滴在微结构表面的合并、脱落过程进行了可视化研究。结果表明,接触角相近、微结构不同的CuO-Ⅰ与Cu(OH)_2表面冷凝传热性能相近,约为光滑表面的1.5倍。接触角为125°的CuO-Ⅱ表面的冷凝传热性能明显高于CuO-Ⅰ表面,约为光滑表面的3倍。同时,相同过冷度下,CuO-Ⅰ表面冷凝液滴的合并与脱落频率明显低于CuO-Ⅱ表面。     

纳米结构超疏水表面冷凝现象的三维格子玻尔兹曼方法模拟

采用三维多相流格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM),对纳米结构超疏水表面液滴的冷凝行为进行模拟研究.通过Laplace定律和光滑表面的本征接触角理论对三维LBM模型进行定量验证.模拟分析了超疏水表面纳米阵列的几何尺寸和润湿性的局部不均匀性对冷凝液滴形核位置和最终润湿状态的影响规律.结果表明,较高的纳米阵列使液滴在纳米结构间隙的上部侧面和底部优先形核长大,通过采用上下不均匀的间隙可避免液滴在底部形核长大,而在上部侧面形核的冷凝液滴在生长过程中向上运动,其润湿状态由Wenzel态转变为Cassie态;较低的纳米阵列使液滴在纳米结构底部优先形核长大,液滴的最终润湿状态为Wenzel态;润湿性不均匀的纳米结构表面使液滴在阵列顶端亲水位置处优先形核长大,成为Cassie态.冷凝液滴在不同几何尺寸的纳米结构表面上的最终润湿状态的模拟结果与文献报道的实验结果符合良好.通过模拟还发现,冷凝液滴在生长过程中的运动行为与液滴统计平均作用力的变化有关.本文的LBM模拟再现了三维空间中液滴的形核、长大和润湿状态转变等物理现象.     

液滴在润湿梯度表面运动的分子动力学模拟

本文进行了液滴在不同润湿梯度表面运动的分子动力学模拟,通过改变Lennard-Jones(LJ)势参数来实现表面的不同润湿性。模拟结果表明在润湿梯度差为10°的界面上,疏水表面的液滴运动更快,达到最终界面所需时间最短,并且液滴运动方向距离最远。当润湿梯度差为20°和30°时,液滴在疏水表面工况的运动速度与从疏水跨越到亲水的工况之间的差距越来越小,并且液滴在从疏水跨越到亲水的工况达到了最远的运动距离。同时,润湿梯度差的增加也引起了液滴运动速度的增大。     

超亲水-超疏水组合壁面冷凝性能研究

本文通过水热法,结合气相沉积法和掩膜紫外光刻法,在玻璃基底上成功地制备了一种具有多尺度结构的超亲水-超疏水组合壁面,并对制备的具有不同润湿差异的组合壁面的冷凝效率进行了测试。结果表明壁面的冷凝效率取决于亲疏水区域的宽度和润湿性差异,其中当亲水区域宽度为0.80 mm,接触角约为0°,疏水区域宽度为0.95 mm,接触角为158°时,其冷凝效率相比光滑铜片的冷凝效率可以提高39%。进一步分析表明,液滴在极端润湿模式的组合表面的润湿分界线处具有较高的体积传输速率,且在超亲水区形成的连续微流通道加快了冷凝液滴快速排放,提高了整体表面的自更新能力。本文的研究,将为复杂润湿界面滴状冷凝的优化提供方向。     

电场下液滴合并自弹跳行为的分子动力学研究

在工程上通常利用滴状冷凝提高冷凝换热效率、进而强化传热。而当冷凝液滴发生合并自弹跳时,冷凝换热系数是传统滴状冷凝的1.3至1.5倍,因此液滴合并自弹跳现象对冷凝传热强化的贡献是非常大的。一些宏观实验和理论研究表明,加入外电场能进一步促进冷凝液滴合并自弹跳的频率和高度,但在纳米尺度下是否仍遵守这一规律还未可知,因此本文使用分子动力学模拟方法,探究了在超疏水表面上电场的方向和强度对纳米纯水液滴合并自弹跳行为的影响,模拟结果表明垂直向上方向电场会抑制液滴合并自弹跳,垂直向下方向存在一个电场促进弹跳的区间,在此区间内电场强度越大,弹跳速度越大.     

憎水表面光控液滴蒸发及冷凝液滴的演化特性

实验利用可视化方法研究了憎水表面上聚焦激光局部加热作用下液滴的蒸发特性及主液滴周围冷凝液滴的生成及演化特性。波长为1550 nm的红外激光作为局部热源控制液滴的相变。结果表明:冷凝液滴随着热蒸汽在过冷基底上的冷凝而不断生长,冷凝液滴之间的聚并现象使其尺寸快速增大。冷凝液滴的演化过程受到液滴蒸发强度和冷凝持续时间的综合影响。当激光加热偏离液滴中心位置时,冷凝液滴仍然较为均匀地分布在主液滴周围。     

滴状冷凝过程液滴自由表面温度场分析

对于滴状冷凝过程及其传热强化机理, 一般通过分析冷凝壁面上液滴分布和运动规律进行研究, 并且将单个液滴视为稳定的个体, 很少涉及液滴内部运动特征. 本文通过红外热像仪观测了纯蒸气滴状冷凝过程中, 液滴运动时自由表面温度场的演化过程. 发现在疏水壁面上, 液滴由于合并或脱落而发生移动过程中, 其自由表面温度先降低, 而后升高并高于移动前温度. 通过分析疏水表面上液滴移动过程的物理模型, 认为液滴移动时表面液膜发生履带式滚动现象, 或者发生液滴内部与自由表面附近的液体间形成对流和掺混现象. 对液滴运动时表面温度演变规律的分析表明: 触发液滴表面发生持续冷凝可能需要克服一个临界过冷度, 当气液间温差超过该临界值时才诱发冷凝; 液滴合并或脱落等整体运动过程, 导致了液滴内部的运动特征, 并促进了较大尺寸液滴表面发生直接冷凝, 这为强化冷凝传热的研究提供新的思路.     

低压蒸汽滴状冷凝传热性能的实验研究

实验研究了不同水蒸气压力条件下的滴状冷凝传热特性。10 kPa、40 kPa和70 kPa时的传热系数分别是常压下的56%,68%和81%。随着水蒸气压力的下降,液滴脱落直径变大,液滴生长周期延长,冷凝传热系数下降。通过液滴的动力学特性分析和基于界面效应的滴状冷凝传热模型,分析了低压对水蒸气冷凝传热的主要影响因素,压力变化主要影响了分子扩散率和气-液相际传热热阻,导致总冷凝传热系数随压力下降。     

螺旋扁管管外蒸汽冷凝双侧强化传热试验研究

为促进螺旋扁管在冷凝换热装置上的应用,对螺旋椭圆管管外蒸汽冷凝工况下的传热特性进行了试验研究。研究结果表明,螺旋椭圆管在强化管内无相变对流传热的同时也可以强化管外冷凝传热。相同工况下,同圆管相比,所用螺旋椭圆扁管的总传热系数高11%-16%,管内传热系数高约18%,管外冷凝传热系数高约9%。并从二次流减薄传热边界层及冷凝表面利于排除冷凝液的角度,分析了螺旋椭圆扁管的双侧强化传热机理。     

低压蒸汽滴状冷凝表面温度分布实验研究

本文利用自组装技术制备了铜基十八烷基硫醇疏水表面(SAM),通过红外热像仪分析了低压条件下液滴表面和换热表面的温度分布以及液滴脱落引起的温度分布演变。实验结果表明:低压蒸汽冷凝条件下,冷凝表面局部温度分布不均匀;单个液滴表面温度呈中心高边缘低的凸型分布;随着液滴半径的增加,液滴表面温度升高;相同操作压力下,随着过冷度的增加,液滴表面温度降低。在液滴脱落过程中,液滴表面温度逐渐升高,同时裸露出的换热表面局部过冷度增大,局部表面温度呈现出中心低周围高的凹型温度分布,随之恢复到液滴脱落前的温度。随着蒸汽压力降低,冷凝临界过冷度增加,导致裸露表面上具有更低温度的中心区域核化点密度高,最终加剧了整个换热表面液滴尺寸分布的非均匀程度。     

蒸汽冷凝过程的分子团聚模型及其对不凝性气体影响传热性能的解释

根据相变过程的微观物理机理和热力学特性,提出了冷凝传热过程中,近壁面蒸汽分子经由团聚阶段进而冷凝成宏观液滴的物理模型.并将团聚体分布与滴状冷凝传热性能相联系,从而研究不凝性气体对滴状冷凝传热过程的影响.在改进的Dillmann和Meier(DM)模型基础上,将分子团聚过程中的临界过饱和度与冷凝过程中的过冷度相联系,以及将团聚体的能量特性与液固界面物理化学特性相联系,将团聚模型与考虑固液界面效应的滴状冷凝传热模型相联系,建立了近壁面条件影响的分子团聚模型.利用模型计算了近壁面蒸汽中团簇体尺寸和分布,以及不凝性气体存在导致的蒸汽冷凝团聚体分布的变化,并结合滴状冷凝传热模型,定量解释了少量不凝性气体的存在,极大影响了冷凝传热性能的现象.模型计算结果与实验结果及文献中含不凝气的蒸汽冷凝传热实验数据进行了比较,两者符合较好,验证了所提出模型的合理性.     

润湿性梯度表面凝结水量研究

本文对润湿性梯度固体表面在空气中的自然冷凝结露特性进行了研究。研究结果表明,润湿性梯度的方向对结露有重要影响。当润湿性增加的方向与重力方向一致时,润湿性梯度表面具有很好的结露强化作用,与通常的均匀疏水或均匀亲水表面相比单位时间内的结水量明显提高;反之,润湿性梯度表面则会抑制结露。     

超疏水表面冷凝液滴行为与生长机制

本文制备了具有微-纳二级结构的超疏水表面,并在湿空气自然对流条件下进行了水平表面冷凝实验。实验结果表明,冷凝液滴行为可分为液滴合并、液滴弹跳和液滴扫掠三类。其中液滴弹跳与液滴扫掠行为均是由液滴合并触发的自推进液滴行为。液滴扫掠与液滴弹跳的区别是,目标液滴未能跳离表面,而是沿表面运动,并吞并沿途的液滴,留下狭长的运动轨迹,且轨迹尽头停留一个大液滴。本文亦通过统计方法,获得了超疏水表面上冷凝液滴的粒径分布、平均直径、表面覆盖率等,研究了液滴种群和单个液滴的生长机制。     

水蒸气在超疏水表面上的冷凝传热

用高温裂解法在紫铜基底上制备了疏水性碳纳米管膜,通过对此碳纳米管膜进行氟化处理,改善了表面的疏水性.在室温下,实验测得水在这种表面上的接触角在90°～130°之间.以水蒸气为冷凝介质的冷凝传热实验表明,水蒸气在超疏水纳米材料表面上能形成较好的滴状冷凝,冷凝传热膜系数可达40000 W/(m2·K).与纯粹膜状冷凝相比,冷凝传热系数提高3～4倍.分析表明,此碳纳米管膜所产生的附加热阻只占冷凝传热热阻的千分之一,对冷凝传热膜系数的影响可以忽略.     

分子自组装膜表面滴膜共存冷凝传热的研究

本文以不同处理工艺制备十八烷基硫醇自组装膜,研究制备的表面上蒸气冷凝传热过程.结果表明不同的成膜温度,可以实现膜表面上水蒸气冷凝形态从膜状到滴状的过渡.并研究了该表面上滴膜共存状态下的冷凝传热特性,表明过渡状冷凝传热随固液自由能差渐进变化的实质是冷凝形态的渐进变化,表面上冷凝液运动形态的不同也将导致传热性能的改变,并对自组装膜表面上的冷凝传热系数可能随操作时间的增加而回升的现象进行了分析.