组合表面高不凝气蒸汽冷凝的数值研究

基于不凝气工况下选择合适蒸汽冷凝润湿性表面，采用ANSYS Fluent软件分别对30°、60°和90°接触角表面及相应组合表面上的冷凝进行了模拟。研究了25%不凝气含量下液滴的成核、合并机制及不同润湿性表面液滴生长周期内的冷凝传热性能，可视化分析了均匀润湿性表面不凝气边界层内液化核心的生成及冷凝液滴的动力学特征，半定量描述了均匀润湿性和组合润湿性表面上瞬态热流密度的分布及其影响机制，为含不凝气工况下不同润湿性冷凝表面的选择及传热强化提供了研究思路。     

薄液滴在润湿性受限轨道上的热毛细迁移特性

通过固体表面改性可对液滴热毛细迁移过程进行调控.基于润滑理论和滑移模型建立了均匀温度梯度作用下液滴在润湿性受限轨道上运动的数学模型,通过将基底划分成亲水区域和疏水区域构建了润湿性受限轨道.结合接触线动力学提出了三维液滴在不同方向上接触线移动速度的计算方法,得到了液滴热毛细迁移的演化历程,分析了轨道宽度和润湿性对液滴迁移特性的影响.研究表明:液滴主体受温度梯度作用由高温区向低温区迁移,液滴后缘在移动过程中与主体部分间形成一层薄液膜,即薄液膜拖尾.液滴在垂直于轨道方向上的铺展受到抑制,收缩到轨道边缘后保持定扎状态.前进接触线移动速度开始时迅速减小,后缓慢降低趋于平稳;前进接触线移动速度与轨道宽度呈负相关.垂直于轨道方向上的壁面润湿性限制导致的排挤作用,在初始的短暂时刻对液滴在轨道上的热毛细迁移具有加速作用.液滴前进接触线移动速度与轨道润湿性呈正相关.增强轨道润湿性使得后退接触线移动速度的初始值增大,但对其稳定值影响不大.相比于改变轨道润湿性,改变轨道宽度更易于调控液滴热毛细迁移过程.     

应用激光蚀刻不同微织构表面的润湿性

运用激光微织构技术, 通过控制微凹坑形状、间距、深度等参数, 在45#钢表面制备了一组表面算术平均偏差S_a相同但表面微观结构不同的试件. 使用Talysulf CCI Lite 非接触式三维光学轮廓仪对表面进行测量, 采用ISO 25178三维形貌表征参数对其形貌进行表征. 在SL200 KS光学法固液接触角和界面张力仪上针对32#汽轮机油进行润湿性试验, 分析了温度、液滴体积、表面结构特征等因素对润湿性的影响, 并借助ISO25178中部分参数对固体表面形貌随机特征与其润湿性之间的关联性进行了量化研究. 基于固液本征接触角为锐角, 研究结果表明: 固液接触角在润湿过程中先迅速减小, 之后逐渐趋于稳定; 固液平衡接触角随温度的升高而减小, 随液滴体积的增大先增大后减小; 激光微织构能够改变表面润湿性, S_a相同的表面, 微织构形状、方向均影响表面润湿性, 当槽状微织构表面的槽方向与液滴铺展方向一致时, 润湿效果最优. ISO25178系列三维形貌表征参数中幅度参数(S_ku, S_sk)、空间参数(S_tr, S_al)、混合参数(S_dq, S_dr)与表面润湿性之间具有较强的关联性: S_ku, S_al, S_dr越大, S_sk, S_tr, S_dq 越小的表面, 固液平衡接触角越小, 表面润湿性越好.     

二维核磁共振观测岩石润湿性

润湿性是反映储层中油水分布状况的一个重要表征参数,因此研究储层岩石的润湿性对原油开采有着重要的意义. 扩散弛豫二维谱可展示扩散系数与弛豫时间的相关性,并可以对油水的弛豫时间、扩散系数分别进行研究,与核磁共振一维弛豫谱相比极大地提高了区分油水的能力. 该文首先通过多组实验验证扩散-弛豫二维谱可以很好地观测到油水共存状态下玻璃珠表面的润湿性,继而通过对3组人造岩心表面润湿性的测量,获得了人造岩心表面润湿性的信息,解决了此时单独用一维弛豫谱方法难以区分油水的问题. 利用二维谱观察岩石润湿性的研究对油田提高采收率的研究有较大的参考价值.     

水驱油藏中原油极性物质对吸附和润湿性影响的分子模拟

为了研究水驱油藏中原油极性物质的吸附机理及其对油藏表面润湿性的影响,构建以石英为代表的砂岩岩石骨架模型,己烷为代表的非极性物质模型和以甲苯、胶质和沥青质为代表的极性物质模型,运用分子模拟方法研究4种原油组分和水分子在砂岩油藏表面竞争吸附过程和润湿状态。结果表明：水与4种原油组分在石英矿物表面竞争吸附时,原油中的非极性物质会比极性物质更加容易脱附。极性物质会随着时间的变化逐渐吸附在矿物表面,非极性的物质会随着时间变化逐渐远离矿物表面。吸附过程中静电力起吸附作用,范德华力起排斥作用。最后结合润湿性实验结果,从机理上解释了不同原油组成对润湿性的影响,即原油组分中极性物质含量越高,胶质沥青质含量越大,岩石表面油湿性越大,且水驱过程中润湿性向亲水方向变化越难。结论对提升水驱油藏采收率影响因素的认识有重要意义。     

梯度膜作为高功率激光反射膜的初步研究

 对渐变折射率薄膜替代均匀膜系作为高功率激光反射膜的可行性进行了理论研究。以较容易获得的线性共蒸法制备的光学膜在中心波长为1 064 nm的激光作用为例,分析了薄膜与基体之间波长的匹配、场强分布等问题。提出了通过改变微小单元获得梯度膜匹配厚度的数值方法,将之运用在14个周期结构的梯度膜中,并由膜系计算软件验证了所获得结果。最后通过分析Maxwell方程,计算了梯度膜中与薄膜损伤密切相关的电场强度分布。结果表明：周期性结构梯度高反射膜中的电场分布与传统高反射膜具有相似性,但相对于传统高反射膜容易在界面处出现损伤的情形而言,梯度膜更容易在表面出现损伤,使梯度膜表面反射相移接近π是高功率梯度高反射膜的设计方向。     

聚二甲基硅氧烷润湿各向异性薄膜

利用模板技术制备了聚二甲基硅氧烷光盘沟槽微结构薄膜,采用电子显微镜对材料进行表征并对薄膜的润湿性各向异性进行了研究.结果表明:刻录可以使光盘沟槽加深,利用聚二甲基硅氧烷复制的薄膜表面具有与光盘基本一致的表面微结构,但沟槽深度比原光盘有所降低.平行沟槽方向的接触角大于与垂直沟槽方向的接触角,具有明显的润湿各向异性.     

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。     

折射率梯度表面机理的研究

本文构建了一种折射率梯度表面,并利用几何光学法对其物理机理作了研究,发现这种折射率梯度表面可以实现入射波到正常反射波,异常反射波,以及介质波的转换.当入射点介质折射率大于某一阈值时,异常反射波束方向角正弦值与入射波束方向角正弦值存在线性关系,意味着平行入射的波经介质后将平行出射到空气;而当折射率梯度常数大于某一阈值时,任何方向入射的波在透射到介质后,将发生全反射,被束缚在介质中.总而言之,通过调节结构参数,可以实现对波束方向与强度的人工调控,从而提供了一种人工可控的全介质梯度表面的工程实现思路.     

环氧树脂的等离子体表面梯度刻蚀及沿面闪络性能研究

结合等离子体表面刻蚀方法与梯度改性方法,实现了氧化铝/环氧树脂表面的等离子体梯度刻蚀。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面轮廓仪、X射线光电子能谱分析(XPS)、高阻计、闪络电压和表面电位测试系统,对比了未处理、等离子体均匀刻蚀、等离子体梯度刻蚀三种情况的样片表面形貌、化学元素和电气参数,研究了等离子体梯度刻蚀对沿面闪络性能的提升机理。结果表明,等离子体表面刻蚀可提升环氧树脂表面粗糙度、提高样片表面电导率、浅化陷阱能级以及提升沿面闪络电压。等离子体梯度刻蚀对闪络电压的提升效果要优于等离子体均匀刻蚀,相比于未处理样片最大可提升26.5%。分析认为针-针电极的电场分布可划分为三结合点处附近的高场强区和电极之间的低场强区,加快高场强区的表面电荷消散速率并适当控制低场强区表面电荷迁移速率,可以最大程度地提升样片整体的沿面闪络性能。     

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。     

Experimental investigation of the motion and deformation of droplets on surfaces with a linear wettability gradient

The present paper reports on the behavior of droplets on surfaces with a wettability gradient. When placed on the less wettable part of such a gradient, a drop may move in direction of increasing wettability depending on the liquid used, droplet size and steepness of the gradient. Here we present the latest results of our work as well as the technique used to produce the gradient surfaces.     

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.     

基于润湿阶跃的水下大尺度气膜封存方法

超疏水表面水下减阻效果通常与其微结构上封存气膜的厚度和面积正相关,且气膜尺寸越大封存越困难.构造亲疏水相间表面,能在壁面形成润湿阶跃,产生约束固-气-液三相接触线移动的束缚力.通过监测切向水流作用下,润湿阶跃为54.8?,84.7?,103.6?和144.0?的亲疏水相间表面上不同面积和厚度气膜的形态发现,厘米尺度气膜可被长时间稳定封存,且气膜破坏的临界流速随润湿阶跃和气膜厚度的增加而升高,随气膜迎流宽度增加而降低.同时,该方法封存的气膜上能产生显著滑移量,尺寸0.6 cm×0.5 cm×0.15 cm的气膜上即可产生约占主流速度25%的稳定滑移速度.期待该气膜封存方法能进一步提升超疏水表面水下减阻技术性能.     

Tailoring the wetting response of silicon surfaces via fs laser structuring

Control over the wettability of solids and manufacturing of functional surfaces with special hydrophobic and self-cleaning properties has aroused great interest because of its significance for a vast range of applications in daily life, industry and agriculture. We report here a simple method for preparing stable superhydrophobic surfaces by irradiating silicon (Si) wafers with femtosecond (fs) laser pulses and subsequently coating them with chloroalkylsilane monolayers. It is possible, by varying the laser pulse fluence on the surface, to achieve control of the wetting properties through a systematic and reproducible variation of roughness at micro- and nano-scale which mimics both the topology of the “model” superhydrophobic surface—the natural lotus leaf—, as well as its wetting response. Water droplets can move along these irradiated superhydrophobic surfaces, under the action of small gravitational forces, and experience subsequent immobilization, induced by surface tension gradients. These results demonstrate the potential of manipulating liquid motion through selective laser patterning.     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

Combination of microstructuring and laser-light irradiation for the reversible wettability of photosensitised polymer surfaces

The wetting characteristics of surfaces of polymers doped with photochromic spiropyran molecules can be tuned when irradiated with laser beams of properly chosen photon energy. In particular, UV laser pulses at 308 nm are responsible for the enhancement of the hydrophilicity of the surfaces, since the embedded non-polar spiropyran molecules convert to their polar merocyanine isomers upon UV absorption. The process is reversed upon irradiation with green laser pulses at 532 nm. When the photochromic-polymeric surfaces are micropatterned using soft lithography or photo-polymerisation techniques, they can change their wettability towards a more hydrophobic or more hydrophilic behaviour depending on the dimensions of the patterned features and on the hydrophilicity-hydrophobicity of the flat surface. Furthermore, the light-induced wettability variations on these structured surfaces are greatly enhanced compared to the flat surfaces. This significant increase to the wettability changes is attributed to the combination of the photochromic interconversions upon laser irradiation together with the photoinduced reversible volume changes of the patterned features. PACS 61.82.Pv; 68.08.Bc; 81.16.Nd; 82.35.-x; 42.60.-v; 68.47.Mn     

Surface functionalization by nanosecond-laser texturing for controlling hydrodynamic cavitation dynamics

The interaction between liquid flow and solid boundary can result in cavitation formation when the local pressure drops below vaporization threshold. The cavitation dynamics does not depend only on basic geometry, but also on surface roughness, chemistry and wettability. From application point of view, controlling cavitation in fluid flows by surface functionalization is of great importance to avoid the unwanted effects of hydrodynamic cavitation (erosion, noise and vibrations). However, it could be also used for intensification of various physical and chemical processes. In this work, the surfaces of 10-mm stainless steel cylinders are laser textured in order to demonstrate how hydrodynamic cavitation behavior can be controlled by surface modification. The surface properties are modified by using a nanosecond (10–28 ns) fiber laser (wavelength of 1060 nm). In such a way, surfaces with different topographies and wettability were produced and tested in a cavitation tunnel at different cavitation numbers (1.0–2.6). Cavitation characteristics behind functionalized cylindrical surfaces were monitored simultaneously by high-speed visualization (20,000 fps) and high frequency pressure transducers. The results clearly show that cavitation characteristics differ significantly between different micro-structured surfaces. On some surfaces incipient cavitation is delayed and cavitation extent decreased in comparison with the reference – a highly polished cylinder. It is also shown that the increased surface wettability (i.e., hydrophilicity) delays the incipient cavitation.     

The effect of low-pressure air plasma treatment on the wettability and surface energy of polyvinyl chloride films

Low-pressure plasma in a RF discharge of air is employed to introduce a polar function to a polyvinyl chloride surface to enhance the wettability and activation. A clear increase in the surface energy of the surface of a polymer due to air plasma treatment was observed. The surfaces become highly hydrophilic after treatment. The effect of plasma treatment on the morphology and wettability of the surfaces were characterized by using a static contact angle measurement and attenuated total reflection-FTIR spectroscopy.