疏水表面单液滴荷电蒸发的特性研究

综合运用PIV、高速数码及图像处理技术,对不同电导率液滴在外加电场下蒸发的显微形貌特征及内部微流动进行了可视化研究。通过荷电液滴内部的速度云图及流线图,探究内部流动速度及流动状态与电场力、液体电导率等因素的关系,对液滴荷电蒸发过程的各个蒸发模式进行了定义。给出了液滴的内部微流动与电场力的关系,对疏水表面液滴荷电蒸发过程的变化趋势进行了标准化处理,给出相应方程,并与实验进行了对比。     

液滴蒸发时的界面形态及其对蒸发速度的影响

对大量单组元及双组元液滴在水平板上蒸发过程的光学观测揭示出双组元与单组元液滴蒸发特性的差别,分析了双组元液滴蒸发过程的界面形态不安定性及其主要影响因素,对界面结构的形成过程提出了“表面相”作用机理的看法。     

液滴在竖直表面上的蒸发速度及其形态

引论 在低重力条件下,表面张力将起主要作用。最近,由于两项重要应用而激发起了低重力条件下关于界面稳定性方面的Marangoni效应的新的研究兴趣。这两项应用即:低重力的航天实验室条件下金属融炼处理及材料纯度的测定。本文涉及的是竖直表面上挂滴的浮升-热毛细不稳定性及确定蒸发速度的方法。当一个液滴被置于一个竖直表面上时,重力使之变形而成为一个薄液层下挂一个“泪头”。本文使用激光阴影法对这一薄液膜及其“泪头”的界面稳定性作了可视化研究并确定了这两部分液体的体积变化历程。     

疏水表面振动液滴模态演化与流场结构的数值模拟

为了研究疏水表面垂直振动液滴的运动规律,本文建立了振动液滴的三维模型,考虑了振动液滴的动态接触角变化过程,通过流体体积函数和连续表面张力(volume of fluid-continue surface force,VOF-CSF)方法实现了液滴受迫振动的数值模拟,得到了液滴的四种模态(2,4,6和8)动态演化过程、内...     

电场作用下纳米流体液滴在超疏水热表面蒸发特性的研究

本文研究了平行电场中超疏水热表面上氧化石墨烯纳米流体液滴的蒸发特性.利用可视化技术捕捉了液滴接触角、接触直径及瞬态相界面的变化.实验发现平行电场能够将液滴沿电势梯度方向拉伸成椭球状,并可以调控蒸发过程中液滴接触直径的变化过程及大小.当液滴接触直径收缩比减小至某一临界值后,将出现一种新的蒸发模式:接触角与接触直径均保持不...     

疏水表面上液滴滞后阻力的实验研究

水滴在接触物体表面上的移动过程所表现出的阻力特性与固体滑块之间发生相对位移时产生的摩擦阻力具有明显的差异。为了进一步揭示这一特性,本文动态测量了水滴在聚二甲基硅氧烷(PDMS)疏水表面上的移动过程,给出了定量解释。结果表明:在不同材料表面上水滴移动的动态特性并不相同,液滴在聚二甲基硅氧烷表面上移动的滞后阻力主要受铺展功到影响。     

疏水表面结霜融霜过程中液滴行为研究

研究了自然对流条件下具有微纳结构铝基疏水表面上结霜、融霜过程中液滴的动态行为,分析了表面方位及接触角对冻结前冷凝和融霜后排液的影响。结果表明:水平疏水表面上冷凝液滴的直径和基底直径随时间而增加,液滴的接触角随时间的变化有一定波动,但呈减小趋势;放置一液滴在疏水表面上冷凝时,周围形成的小液滴以该液滴为中心,离它越远,小液滴尺寸越大;融霜后疏水表面上呈现规则的球缺状液滴,而裸铝表面上是不规则的液滴。     

电场下液滴撞击过冷超疏水表面行为研究

本文通过观察液滴在电场作用下撞击不同温度的超疏水表面时的凝固相变行为以及运动特性。实验发现,当壁面温度一定时,随着电场强度的增加,液滴撞击表面的最大铺展系数无明显变化,同时液滴回缩拉伸出现了三种分裂模式,当电场强度较低时,出现珠状分裂;随着电场强度的增加,出现过度状态,进而出现丝网分裂;当电场强度足够大时,整个液滴直接反弹。当电场强度一定时,随着壁面温度的降低,液滴撞击表面的最大铺展系数无明显变化,撞击后液滴拉升高度变化不大,但反弹高度随壁面温度的降低而降低。     

弹跳液滴与超疏水表面的换热特性研究

了解弹跳液滴在固体表面的动力学和传热特性对于促进自清洁、防冰和热管理等领域的发展是至关重要的。本文通过数值模拟的手段研究了冷液滴撞击热超疏水表面的过程。本文中提出了一种混合相场格子玻尔兹曼模型来描述液滴动力学和液固传热过程,并通过单个液滴在固体表面的铺展过程和定量冷却效率验证了所提出模型的正确性。随后对单个液滴碰撞超疏水表面的动力学行为和换热过程进行了模拟,结果表明热流密度不仅与液固接触面积有关,还与液滴与基体之间的温差有关。此外增大液滴的韦伯数对换热过程有促进作用,而增大液滴的雷诺数反而会抑制换热。     

液滴撞击超疏水碳纳米管阵列表面的行为研究

实验研究了不同韦伯数(We)时液滴碰撞碳纳米管阵列表面的动态过程行为,并借助改进的水平集方法对液滴碰撞过程进行了数值模拟。模拟过程中,分别引入了接触角动态变化的Kistler模型和Blake模型,并就液滴铺展因子和顶点高度等方面将模拟与实验结果进行了对比分析。结果表明:在We=1.4～110范围内液滴碰撞都经历了相似的铺展-收缩-弹跳过程,不同We时模拟和实验结果都比较接近;在液滴铺展阶段,依据Kistler模型的模拟结果与实验值更接近,而在收缩阶段,依据Blake模型的模拟结果与实验值更加吻合.综合考虑后发现Blake模型与实验值的偏差较Kistler模型在整体上更小,细节吻合较好,验证了模型的可靠性。     

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。     

凝固界面形态演化的实验研究

本文采用典型的透明模型合金丁二腈-1.1wt%乙醇进行定向凝固实验,对从平界面失去稳定性到建立起新的稳定的界面形态之间时间相关的形态演化过程进行了详细的直接观察研究。发现:1)平界面失稳初始扰动波长在Mullins-Sekerka(缩写为MS)稳定性理论所预言的波长范围内,但与理论预言的振幅发展最快的波长不一致;2)平界面失稳初期,扰动振幅发展速率确实是振幅的线性函数,但在具体数值上实测值比理论值小得多;3)胞晶和枝晶形态演化过程具有不同的特征,导致这种差别的主要原因是稳态一次间距与初始扰动波长之间相对尺 关键词：     

亲水表面金纳米流体液滴光热蒸发特性研究

金纳米颗粒在可见光区具有高消光效率引起科研人员关注。金纳米流体被用作太阳能体吸收工质。通过太阳能加热亲水表面金纳米流体液滴蒸发实验,详细研究了液滴蒸发过程特性。液滴蒸发过程中液滴几何参数和表面温度被仪器实时记录。液滴蒸发主要为常接触面积模式,接触角逐渐减小。液滴体积随时间线性变化,与传统理论蒸汽扩散模型结果不同。本文研究能帮助指导太阳能光热利用以及液滴蒸发在工业中的应用。     

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。     

疏水性润湿梯度表面液滴脱离过程的实验研究

基于标准MEMS工艺设计并加工了一种具有微结构的疏水润湿梯度表面,通过光学可视化测试系统,采用高速图像采集装置和标准振动台研究了液滴与润湿梯度表面脱离过程中,形态、接触角、受力等参数的变化规律。结果表明:液滴在与疏水润湿梯度表面脱离过程中,将出现拉伸现象,处于相对疏水侧的边缘脱离速度要快于处于相对亲水侧。脱离过程中液滴高度、宽度和接触角变化可明显分为两个区域,两区域内液滴高度、宽度和左右两侧接触角变化呈现出显著不同。通过液滴与微结构顶部间受力分析发现,润湿梯度造成的液滴受力不均是导致液滴边缘脱离速度出现不对称的原因。     

超疏水表面液滴的振动特性及其与液滴体积的关系

超疏水表面液滴的振动特性与接触线的移动、液滴体积、基底振幅等因素密切相关.本文在基底振幅较小且恒定的条件下,研究了超疏水表面液滴的共振振幅、模式区间、共振频率等振动特性及其与液滴体积(20—500μL)的关系.此外,将基于一般性疏水表面建立的Noblin共振频率计算模型应用于超疏水表面,并提出虚驻点的概念,借此对模...     

超疏水聚合物表面的水滴蒸发模拟

基于质量守恒和Fick第一定律，模拟了水滴在超疏水聚合物表面的蒸发全过程．研究从以往的接触角<90±扩展到>150±，液滴形貌扩展为椭球球帽模型进行疏水表面蒸发模拟．水滴在超疏水PC和FPU/PMMA表面蒸发的实验结果显示，计算的椭球球帽模型可以更好的反映出液滴接触角和高度的变化情况，并且不同聚合物表面接触角的相同变化趋势也揭示出微-纳二级结构表面结构不仅影响液滴接触角，也影响液滴蒸发模式．     

超疏水表面上多液滴合并触发液滴弹跳现象的理论分析

超疏水表面上由冷凝液滴的合并触发的液滴弹跳现象在自清洁、强化传热、防结霜等工程领域均有广阔的应用前景。本文建立了一个能量模型以分析多液滴合并触发的液滴弹跳现象。依据本文模型,在液滴弹跳过程中,涉及到表面能、黏性耗散、重力势能、阻滞功、振动动能和平动动能等能量形式的变化及转换,当有更多的表面能转化为平动动能时,液滴弹跳速度会更快。结果表明,多液滴合并能够释放更多的表面能,分布更集中的液滴之间的合并有利于获得更多的平动动能,使液滴弹跳速度更大。此外,存在最小的临界液滴半径和半径比,小于该半径或半径比时,不会发生液滴弹跳。随合并液滴数量的增加,该最小的临界液滴半径和半径比均减小。