大量不凝性气体存在时不同润湿性传热管冷凝传热特性实验研究

为了提高大量不凝性气体存在时水蒸气的冷凝传热性能,实现对电力、化工、制冷等工业领域中余热的高效回收利用,基于水平管外冷凝传热实验系统,实验研究了氮气-水蒸气混合气体在不同润湿性光滑管和翅片管表面的润湿特性和冷凝传热特性。通过化学刻蚀与自组装方法对紫铜光滑管与翅片管表面进行疏水与超疏水改性处理,并且根据仿生原理,制备了亲水+疏水组合翅片管表面与亲水+超疏水组合翅片管表面。研究发现,当大量不凝性气体存在时,亲水+超疏水组合翅片管的冷凝传热特性最优,水蒸气体积分数对不同润湿性传热管的冷凝传热特性影响显著,并且随着水蒸气体积分数增大,超疏水翅片管和亲水+超疏水组合翅片表面的冷凝形式由珠状冷凝逐渐向膜状冷凝过渡。     

超疏水冷表面上液滴冻结的可视化观测

对超疏水和普通表面上液滴冻结过程进行了对比试验观测,对液滴初始冻结时间和液滴冻结持续时间进行了对比研究,并对超疏水表面延缓液滴冻结的机制进行了理论分析。试验结果发现:与普通表面相比,超疏水表面上液滴初始冻结时间和液滴冻结持续时间明显滞后,不同冷表面温度下,超疏水表面均可有效延迟液滴冻结。表面接触角和粗糙度的综合效应,可显著增加相变所需吉布斯自由能壁垒,同时减少液滴-平板之间传热面积是延缓液滴初始冻结和液滴冻结过程发生的根本原因。     

超疏水表面黏附性对冷凝传热的影响

表面黏附性对冷凝液滴的成核、生长和脱离过程有重要影响。为进一步提高表面的冷凝传热系数,制备亲水、超疏水高黏附和超疏水低黏附3类表面,在不同蒸汽压力及风冷条件下,研究表面黏附性、压力、加热功率和冷却功率等因素对冷凝传热的影响。研究结果表明:由于超疏水高黏附表面的液滴易成核但不易脱离,而超疏水低黏附表面的液滴极易脱离,因此,在相同压力和过冷度下,超疏水低黏附表面的换热系数远大于超疏水高黏附表面的换热系数;在过冷度为4.0 K的常压条件下,超疏水低黏附和高黏附表面换热系数分别是亲水表面换热系数的4.99倍和1.77倍;在同一风冷功率和加热功率下,超疏水低黏附表面的过冷度明显小于超疏水高黏附表面的过冷度。     

环境湿度对超疏水翅片结霜特性的影响

为揭示超疏水翅片在不同环境湿度下的结霜特性及抑霜性能，制备了接触角为161.5°的超疏水翅片，并通过搭建翅片表面结霜实验平台，获取了环境相对湿度分别为65%、75%、85%和95%条件下，超疏水翅片的结霜特性及抑霜性能.实验结果表明：结霜初始阶段凝结液滴的生长行为受相对湿度影响，凝结液滴的冻结时间随着相对湿度的增加而减少，但湿度对液滴冻结前翅片表面覆盖率的影响并不明显；结霜时间为45 min时，几种环境相对湿度下的霜层高度分别为0.26, 0.42, 0.65, 0.93 mm,虽然超疏水翅片的霜层高度随着环境相对湿度的增加而增加，但与普通翅片相比，其在不同湿度条件下均能有效抑制结霜.     

超疏水表面液滴冻结初期冻结行为传递特性

针对超疏水表面结霜过程中液滴冻结初期"冰桥"导致冻结行为传递的现象,建立液滴与冻结液滴之间的传质模型,揭示超疏水表面液滴冻结初期冻结行为传递的机制。探究冻结行为传递的条件,揭示表面润湿性及表面温度对"冰桥"形成的影响规律。研究结果表明:当液滴与冻结液滴之间的距离小于临界距离时,"冰桥"才可能形成;表面疏水性能越好,液滴分布越稀疏,"冰桥"形成速度越慢,冻结行为越难以传递;表面温度影响液滴表面与冻结液滴表面水蒸气分压力差,水蒸气分压力差越大,"冰桥"形成速度越快。     

用于输电线路的铝基超疏水表面抗覆冰研究

输电线路覆冰灾害危害及其预防现已成为一个迫切需要解决的问题.本文就铝基超疏水表面抗冰特性进行了研究,在铝片和输电铝线表面涂覆本文制备的硅基超疏水溶液,使铝基表面疏水角达到154.5°.具有超疏水性的铝基能有效防止水珠滞留在表面形成覆冰.通过恒湿恒温室模拟覆冰过程,观察并测量涂覆溶液前后表面的覆冰面积以及输电铝线脱冰力大小来反映抗覆冰特性,实验结果显示超疏水铝片表面的覆冰面积比普通铝片表面覆冰减少了40%并且具有超疏水表面的输电线上脱冰力减少了11N.实验结果对输电线路结冰问题的解决提供了新的思路.     

氟化改性硅树脂制备的超疏水涂层防覆冰性能

研究具有超疏水表面特性的疏水涂层实际防覆冰效果.首先理论分析了水滴在固体表面浸润性影响因素,利用不同硅烷水解缩合反应制备出低表面能的含氟硅树脂,之后引入分形理论在含氟硅树脂中添加二氧化硅微粒制备疏水涂层.观察掺杂微粒的涂层表面微观结构,并测试水滴在不同涂层表面的接触角;为直观分析涂层防覆冰效果,将不同涂层涂覆试验件后在结冰风洞中进行覆冰测试.结果显示掺混不同量级微粒的疏水涂层表面形成复合粗糙结构,有着更好的粗糙度;含氟硅树脂表面水滴接触角较普通硅树脂提升10°,含有不同量级粒径微粒的涂层表面水滴接触角较单一粒径微粒掺混的涂层提升近20°,达到超疏水表面效果;具有复合微观结构的疏水涂层涂覆的试验件在5 m·s-1和15 m·s-1的风速下较无涂层表面覆冰减少率分别达到35.6％和25.9％,较只有一级粗糙结构的表面有效防覆冰时间长,具有较好的防覆冰能力.结果表明本文设计的超疏水涂层达到超疏水表面效果,且具有较好的防覆冰性能.     

结霜初期超疏水表面凝结液滴的自跳跃脱落及其对结霜过程的影响

制备了具有微纳复合结构的超疏水表面,对其结霜过程进行了可视化观测,揭示了结霜初期表面凝结液滴的自跳跃行为及其对结霜过程的影响,并与普通表面的结霜过程进行了对比研究.实验结果表明,结霜初期,超疏水表面的凝结液滴频繁出现合并后自跳跃现象,根据液滴合并前的尺寸大小,可将自跳跃行为分为3类,而普通表面未观察到类似现象;液滴自跳跃临界半径随着液固接触面积分数的降低和表面接触角的增大而减小.初始凝结液滴的自跳跃降低了超疏水表面液滴覆盖率和分布密度,同时引起表面霜层生长的不均匀性和霜晶结构的差异.与普通表面相比,超疏水表面可有效抑制结霜,延缓霜层生长速率.     

铜表面液滴冻结的实验研究

为了研究液滴冻结过程中液滴内部固-液相界面的动态变化特性以及液滴形变的变化规律,基于液滴冻结可视化实验平台,对冷铜表面液滴冻结过程进行了可视化实验研究,分析了不同冷表面预设温度下液滴过冷度和液滴冻结时间的变化规律以及液滴体积对液滴冻结时间的影响。实验结果表明:在液滴冻结过程中,液滴内部固-液相界面呈现出凹界面特性;在表面张力和固-液相界面的凹面特性的共同作用下,液滴完全冻结后会在其顶部形成明显的乳状凸起;液滴冻结前期固-液相界面的推移速度较快,冻结速度较快,随着时间的推移,固-液相界面的推移速度逐渐减小,致使冻结速度减小;随着冷表面温度的降低,液滴冻结所需要的过冷度不断增加。研究发现了临界过冷度的存在,约为-12℃,适当增加液滴的临界过冷度可延缓其冻结过程。液滴冻结时间主要取决于液滴过冷时间,液滴过冷时间受冷表面温度的影响较大;液滴体积对液滴过冷时间的影响并不是单调的。     

铜基疏水冷表面液滴冻结实验研究

为了研究不同环境条件下液滴在不同接触角疏水表面的冻结行为,采用自组装法制备了具有不同接触角的铜基疏水表面,通过实验观测了不同环境条件下液滴在不同接触角表面的冻结行为,分析了各因素如接触角、冷表面温度、环境温度以及湿度对冻结时间的影响。实验结果表明:在降温过程中,由于疏水表面润湿性发生变化导致接触角减小;冻结时间随接触角、冷表面温度、环境温度及湿度的增加均呈现增加的趋势。结合液滴冻结开始后的相变过程及能量守恒原理,建立了液滴冻结一维层式数学模型,对不同实验条件下液滴的冻结持续时间进行计算,计算结果与实验结果吻合良好,误差不超过15%。     

双疏水表面润湿和传热动力学研究

为实现润湿图案化的超疏水表面在航空电子设备散热中的应用,本文对液滴撞击双疏水表面(具有疏水性图案的超疏水基质)的润湿行为和传热特性进行了分析.通过使用高速相机和红外相机,我们获取了液滴铺展和回退阶段的动力学以及表面温度和热流量的相应空间分布.本文研究了液滴撞击超疏水、疏水和双疏水表面上的动态润湿和局部传热的差异.此外,本文还分析了表面温度和撞击高度对液滴撞击过程的影响.结果表明,所有表面在铺展阶段都具有相同的润湿特性和相似的传热行为.表面温度变化并不能对铺展阶段表面润湿特性产生较大的影响,液滴铺展时间与表面温度和撞击高度无关.在回退阶段,表面润湿特性的差异使得三个表面之间的传热特性明显不同.双疏水表面特殊润湿特性使得回退阶段液膜的接触线速度存在跳变现象,形成了许多小液滴,增加了接触面积,同时又兼具了超疏水表面的回弹特性.     

粗糙表面液滴表观形态研究

液滴在粗糙表面的表观形态及影响其润湿性转变的因素是十分复杂的．一般来说,液滴在表面的接触形态是其表面润湿特性的直接反映．近来,通过对蒸汽凝结条件下超疏水表面液滴形态的研究,进一步加深了人们对粗糙表面润湿特性的理解．人们通过对不同条件下微结构粗糙表面润湿特性的研究,证实了除Cassie和Wenzel模型外,尚有第3类液滴表观状态的存在．我们对实验数据分析发现,粗糙表面的润湿性可以由液滴在投影面上与固,液／气三相接触的面积比来衡量,提出了一种新的液滴表观接触角的通用计算模型,并对比文献数据,证实了其对表观接触角的预测．     

飞机防除冰机理及超疏水材料的机载应用

飞机表面结冰改变飞机的飞行动力学特性,严重威胁了飞行安全,因此飞机防除冰技术对于安全飞行有重要意义。本文通过分析飞机结冰的基本原理、类型、影响等,综述现有的防除冰技术的方法及优缺点对比,其次详细综述了超疏水材料的润湿性模型、机理等,同时对超疏水材料研究现状进行了全面综述并对其特定条件（超疏水特性失效）进行分析,特别指出了存在的问题和挑战。其次在单一防除冰系统缺陷的基础上提出了复合型防除冰系统,并对几种复合防除冰系统进行介绍且将其与单一防除冰系统进行对比。此外,针对超疏水材料应用可能出现的问题,提出了一种回路热管+超疏水材料相结合的飞机防除冰系统。最后,就超疏水表面与复合型防除冰系统存在的问题进行分析与展望,认为主被动复合型防除冰系统具有良好的应用潜力。     

疏水防冻路面封层制备与评价方法研究

针对我国冬季道路降雪结冰导致交通事故的问题,研究制备了一种疏水防冻路面封层(hydrophobicantifreezepavementsealinglayer,HAPSL).测试水滴滑落时间比较其疏水效果,表征疏水性能;采用层间剪切试验、直接拉拔试验和钢球捶击防覆冰试验比较其降低冰层与路面间黏附力的效果,表征防冻性能.采用车辙试验、低温弯曲蠕变试验、冻融劈裂试验以及铺砂法、摆式摩擦仪(BPT)分别验证稳定性和抗滑性能.结果表明:HAPSL具有较强的疏水及防冰抑冰性能,能够延缓道路结冰,降低冰层与路面间的黏附力;虽然对稳定性和抗滑性能有一定的不利影响,但均满足规范要求,能够确保道路的正常使用.HAPSL 具有实用价值,可为其他疏水路面、自融雪路面的研究和铺筑提供参考.     

超疏水材料在电力系统中的防覆冰应用分析

覆冰对电网的安全运行有较大威胁,防覆冰技术是电力系统的研究重点。超疏水涂料是一种热门新型材料,其表面特性能够缓解覆冰的积累,是一种很有应用前景的防冰材料,国内外已有学者研究将超疏水涂料应用于电力设备的防覆冰中。该文总结了超疏水涂料在电力系统中防覆冰应用的研究现状,并对其应用前景进行了分析。     

长效超疏水纳米复合材料研究进展

随着材料表征及制备技术的发展,越来越多的人造超疏水材料及表面被制造出来,然而人造超疏水材料及表面的长效特性差,限制其在自清洁、防冰、防雾、防腐蚀以及油水分离等领域的实际应用,其长效特性的提升对于人造超疏水材料及表面在生产生活中的应用具有重要意义.根据超疏水材料维度的不同以及超疏水结构构筑单元维度的差异,本文将人造超疏水材料分为零维结构单元构筑二维超疏水材料;零维结构单元构筑三维超疏水材料;一维结构单元构筑二维超疏水材料;一维结构单元构筑三维超疏水材料以及基于块体材料的三维超疏水材料五大类,并综述了各类超疏水材料的制备方法及相应超疏水材料长效特性的研究.综合近年来超疏水材料的研究进展,提出了长效超疏水材料的设计思路和评价方法.     

液滴撞击过冷壁面的结冰特性实验研究

为了研究液滴动态铺展特性以及冻结行为和机理,基于可视化实验平台,探究了壁面温度对液滴动态结冰过程的影响,分析了铺展直径随时间的变化规律和不同冰型形成的物理机制。实验中采用亲水硅片以及较大的撞击速度增加换热面积,同时采用较低的壁面温度强化液体与冷板之间的换热过程。结果表明,壁温降低导致液滴黏性耗散增加,液滴最大铺展直径略有减小,但壁面温度对于动态铺展阶段的影响不大;壁面温度对结冰过程的影响十分显著,不同的壁面过冷度可产生不同结冰形态;当壁面温度相对较高时,液滴呈现中间成尖结冰形态,壁面温度较低时,出现了一种新的内凹环状结冰形态,后者的形成是由于触发了液膜内部结冰,从而导致液膜内出现冻结锋面,且该锋面同时向外、向上发展。另外,本研究提出了无量纲导热因子以反映壁面导热性能的影响,通过结合无量纲导热因子和韦伯数的影响,揭示了不同冰型产生的条件,为控制结冰形态提供了新的策略。     

超疏水材料表面的空气膜与自清洁作用对细菌黏附行为的影响

超疏水材料因其特殊的润湿性被广泛用作抑菌材料，许多研究认为超疏水材料与细菌溶液间的空气膜是其抑菌的关键因素，但鲜有研究能直接证明空气对细菌黏附的影响.本文应用电化学阳极氧化法和分子自组装方法，在钛箔表面制备了超亲水的二氧化钛纳米孔柱阵列(NPA)和超疏水的NPA.通过超声去除超疏水NPA固-液界面的空气膜，对比研究细菌在超疏水样品有无超声情况下的黏附，其中细菌黏附应用荧光显微镜进行表征.结果表明，超疏水NPA相对于超亲水NPA表现出明显的抗菌效果；肉眼可见的空气膜在局部区域内，可明显阻碍细菌的黏附，从而影响细菌在超疏水材料表面的分布；但从黏附细菌的整体数量对比，超疏水NPA固-液界面的空气膜对细菌的黏附数量并没有显著影响.此外，超疏水材料表面黏附的细菌易在常规的实验漂洗过程中脱离材料，这提示了在考察超疏水材料的抑菌性能时，需要考虑材料的自清洁作用对其抑菌性能表征的干扰.     

飞机发动机结冰研究进展

针对飞机发动机防／除冰技术的进展,分析了美国AEDC和意大利CIRA冰风洞的发动机结冰试验概况,综述了我国冰风洞建设及结冰试验的现状;对冰风洞试验的重要参数液态水含量(LWC)和液滴粒径(MVD)的测量研究进行了探讨;从流场计算、水滴撞击特性计算、模型表面能量平衡计算、冰形计算4个方面总结了结冰模拟方法的进展,并比较了不同方法的优缺点。最后针对当前的研究现状,提出了发动机结冰研究进一步的发展趋势。     

真空紫外光响应超疏水和超亲水快速可逆转变的ZnO薄膜

利用简单的低温液相技术,通过氢氟酸(HF)调控反应溶液的pH值,制备了真空紫外光响应的疏水-超亲水快速可逆转变的ZnO薄膜.该薄膜具有类似于芋头叶表面的特征,表面分布着具有纳米级亚结构的ZnO微米球,因而具有超疏水特征(水接触角为151°).在真空紫外光(VUV)照射30min后,薄膜表面显示了超亲水特征(水接触角小于5°);将VUV光照后的薄膜放置在暗室中6d后,薄膜表面又恢复到超疏水特征.VUV的使用及薄膜表面具有的独特微纳米阶层结构,加快了超疏水-超亲水之间的转变.这种快速转变特性,可促进ZnO薄膜在微流体器件上的应用.