微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

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。     

表面纳米结构及其自由能对滴状冷凝传热的影响

通过抛光和氧化刻蚀方法在基体壁面形成微米和纳米尺度的微观结构,然后制备十八烷基硫醇分子自组装膜,从而得到空气中表观接触角为160°的SAM-1表面和空气中表观接触角为116°的SAM-2表面.实验研究了常压条件下两类表面的滴状冷凝传热特性.结果表明两种表面都能够有效提高冷凝传热效果.但是,具有表面纳米结构的SAM-1表面的滴状冷凝传热特性低于SAM-2表面.分析了纳米结构和液固自由能差效应对滴状冷凝传热影响的共同作用机理.     

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。     

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.     

近壁区分子团聚现象的原位红外观测

对于饱和蒸气壁面凝结过程,蒸气分子在体相与过冷壁面间过渡区的微观演化机制尚不清晰,分子团聚模型认为分子到达壁面凝结前首先在体相中形成一定团簇分布,但由于观测近壁边界层微小空间中微观粒子的动态演化较为困难,对该模型的实验验证并不充分.基于团簇内部的氢键网络,利用衰减全反射傅里叶红外光谱技术,实时检测了近壁薄层内蒸气分子凝结过程中的动态行为,直接验证了近壁区的团簇分布,表明团簇是凝结和液滴生长的主要单元,且平均团簇尺寸沿着靠近壁面方向逐渐增大.利用团簇体的氢键特征,又观测了乙醇蒸气的近壁面团聚行为,进一步验证了壁面凝结过程团簇演化的合理性.此外,实验发现乙醇蒸气冷凝的团簇分布空间范围要小于同样条件下的水团簇分布范围,这可能间接表明乙醇蒸气凝结的传热边界层范围小于水蒸气凝结的传热边界层范围,而导致其传热性能较弱.利用壁面结构调节近壁区团簇分布,将为含有不凝气的蒸气冷凝传热或气相水汽捕获等过程的强化提供新方向.     

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.     

低压蒸汽滴状冷凝过程中液滴生长特性

研究了低压条件对滴状冷凝过程液滴生长特性的影响。首先,研究了超疏水表面上空气环境和蒸汽环境中附着液滴的接触角,发现蒸汽环境中的接触角比空气环境中的小,而蒸汽压力对接触角没有显著影响。第二,实验研究了冷凝过程中的液滴的生长周期和脱落尺寸,液滴的脱落半径随压力的降低而增大,生长周期也随之延长。第三,实验研究了液滴合并生长速率,并结合理论分析直接冷凝长大的生长速率,直接冷凝生长速率随压力的减小而减小,并随过冷度的减小而下降,而实验范围内合并生长速率不受压力影响。第四,根据滴状冷凝液滴分布的时间序列模型,分析了不同压力下液滴生长的临界尺寸,随着压力的降低,液滴生长方式的临界尺寸增大。     

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.