结霜初期超疏水表面液滴生长的规律

为了研究结霜初期液滴在超疏水表面的生长规律,建立结霜初期超疏水表面液滴生长的分层模型,揭示液滴在生长过程中各层温差的分布特点,并深入研究表面接触角、面积分数、基底温度以及空气相对湿度对液滴生长的影响规律。研究结果表明:在结霜初期,液滴的Knudsen层以及主流连续区层这2部分的温差占基底过冷度的95%以上;随着表面接触角的增大,传质环节中的主流连续区层的温差减小,导致液滴生长减缓;面积分数S对液滴生长的影响较小,当S=0.04时,与其相关的热阻R_(we)仅约占液滴-翅片层总热阻的0.2%;液滴生长速率随着基底温度的降低和空气相对湿度的升高而升高。     

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．     

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.     

翅片表面特性对结霜过程影响的实验研究

为研究翅片表面特性对空气源热泵结霜的影响,构建了翅片结霜实验平台,对接触角不同的4种翅片表面(亲水性铝翅片、普通铝翅片、疏水性铝翅片、超疏水性铝翅片)的结霜过程细微观特征进行了可视化研究,获得了翅片表面特性对结霜过程细微观物理特征及霜层热工特性的影响规律.结果表明,在霜晶生长初期,接触角越大,凝结形成的液滴粒径越小,分布越稀疏,液滴开始冻结的时间越滞后.霜层生长过程中,接触角大的表面霜晶相对矮小且疏松,枝晶分布不均匀,而接触角小的表面霜晶纤长且致密,枝晶多且分布均匀.随着接触角的增大,霜层的高度和导热系数减小,表面温度降低.超疏水性表面霜高比亲水性表面减少了45%,接触角越大的表面其抑霜效果越明显.     

疏水性铝翅片表面的结霜/融霜特性

为了揭示疏水性铝翅片表面特性对结霜/融霜过程的影响规律,构建翅片结霜/融霜实验平台,制备接触角为90°~160°的4组疏水性铝翅片,并对其表面的结霜/融霜特性进行研究。研究结果表明:翅片表面的接触角越大,凝结液滴越晚出现,抗凝结作用越明显。4组翅片表面霜晶形态相似,但霜层高度区别明显,接触角越大,霜层越薄,抑霜效果越好。翅片表面的接触角和接触角滞后对凝结液滴及融霜滞留液滴的形状、尺寸和分布密度具有重要影响。此外,疏水性强的翅片,表面融霜过程快且滞留水少,接触角为160°的表面其滞留水比接触角为98°的表面减少79.82%。因此,采用疏水性强的翅片,有利于减少蒸发滞留水耗热量和时间,从而提高热泵除霜效率。     

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.     

不同润湿滞后实验方法的比较

讨论润湿滞后现象的最佳实验方法。为了对比体积法、斜板法以及联用法(体积法与移动针头法相结合),在3块不同粗糙度固体表面上,采用3种方法对强亲水到疏水范围内的液滴进行润湿滞后实验。实验结果表明：当表观接触角θ_ap≤60°时,体积法对液滴施加的垂直外力不会影响实验结果,且具有较好的重复性;而当θ_ap>60°时,垂直外力会改变液滴形状、三相接触线长度及接触模式,不适合对润湿滞后进行测定。在斜板法实验中,由于液滴体积较小,其重力无法克服固-液黏附力与粗糙微结构产生的能量势垒,导致液滴无法在固体表面移动。移动针头法实验结果符合静摩擦力理论,且避免了因垂直外力导致的润湿阻力系数失真,可对θ_ap>60°的润湿滞后现象进行测试。将体积法与移动针头法联用为润湿滞后实验的最佳方法。     

强制对流翅片管式换热器结霜性能的研究

建立了恒流条件下的强制对流翅片管式换热器的结霜模型，并用实验结果验证了模型的可靠性．将结霜模型和风机性能曲线联合起来考虑，在更加切合实际的情况下，模拟了换热器在结霜工况下的热力性能．研究发现，换热器结霜引起了翅片效率、空气流通率及翅片性能的显著降低，同时还伴随着空气侧压力降上升．讨论了改变风机类型、翅片间距以及翅片厚度在内的几种设计参数对结霜性能的影响．     

利用分形结构修饰疏水表面的研究

针对某种材料表面设计合理的粗糙结构是增大接触角进而提升材料疏水性的主要方法。通过理论分析无分形结构下水滴在硅树脂表面不同粗糙度下存在的Wenzel模型和Cassie模型2种接触状态关系以及接触角大小,得出同等接触角下Cassie状态粗糙表面更易修饰;对比分形结构对2种接触模型的作用效果,分形结构修饰后2种模型接触角均增大,且一定分形级数内Cassie接触状态接触角增幅明显。利用分子动力学模型仿真分析无分形结构以及存在二级分形结构时对Cassie状态接触角影响,取4种不同粗糙结构进行对比,仿真结果显示固体表面存在二级分形结构时,接触角增大约5°,将仿真结果与理论值相比较,误差约1%,对Cassie状态粗糙度修饰分形结构可提升疏水性。     

结霜工况下R410A翅片管式蒸发器的换热特性

在焓差实验装置和热泵性能测试系统中,对一台R410A空气源热泵的翅片管式蒸发器在结霜工况下的换热特性进行了试验研究.通过改变蒸发器制冷剂侧和空气侧的流体温度、流量等参数,利用显微摄影机对室外侧换热器的平直翅片表面结霜过程进行动态跟踪.实验表明,结霜速率和霜层厚度的变化对制冷系统的换热量、蒸发温度、制冷剂侧压降、整体传热效率都有不同程度的影响.在蒸发器的结霜初期和结霜后期,系统性能的衰减程度有较大区别.在空气温度为0℃~-4℃,相对湿度大于80%的情况下,换热器表面结霜速度最快.     

液滴在燃煤细颗粒表面凝结的长大动力学特性

为了研究液滴在燃煤细颗粒表面的长大动力学特性,实验测量了水在不同燃煤细颗粒表面的接触角θ,考虑液滴在燃煤细颗粒表面长大的2种作用机制:细颗粒表面水汽的直接扩散凝结和颗粒表面吸附水扩散凝结,对燃煤细颗粒表面单液滴的长大动力学进行了研究.数值讨论了燃煤细颗粒粒径、蒸汽过饱和度、蒸汽温度、液滴半径和颗粒表面润湿性对单液滴在燃煤细颗粒表面长大速率的影响.结果表明:当颗粒粒径小于0.5μm时,液滴的长大速率随着燃煤细颗粒的增大迅速增大,当粒径大于0.5μm时,长大速率随着粒径的增大缓慢增长;液滴的长大速率随着过饱和度上升呈指数倍增长,但是随着蒸汽温度的上升而呈现下降的趋势;液滴的长大速率开始随着液滴半径的增大而急剧下降,长大到某一半径后下降的趋势变缓;当0≤cosθ≤0.8时,长大速率随着润湿角余弦值的增大而平缓地增大,当0.8≤cosθ≤1时,长大速率会随着润湿角余弦值的增大而急剧增大.     

乙醇/水两组分液滴在超疏水表面上的蒸发动力学研究

在不同湿度下研究了不同浓度乙醇/水混合物的液滴在超疏水表面上的蒸发过程,通过实验分析了液滴的接触半径、接触角和蒸发速率随时间的演化规律并与现有理论模型进行对比,探索乙醇浓度和环境湿度对超疏水表面上两组分液滴蒸发动力学行为的影响。研究结果表明:乙醇浓度影响液滴在超疏水表面上的蒸发模式和蒸发速率,低乙醇浓度(≤20wt%)时液滴蒸发速率较慢并趋向于常接触角(CCA)模式,高乙醇浓度(40wt%～60wt%)时液滴蒸发速率更快并趋向于常接触半径(CCR)模式;环境湿度主要影响液滴的蒸发速率但对蒸发模式的作用小,湿度越高蒸发速率越慢。     

正戊醇溶液液滴蒸发特性研究

为了研究正戊醇溶液液滴的蒸发特性,采用可视化实验研究不同质量分数的正戊醇溶液液滴在不同加热功率平面上的蒸发行为。研究结果表明：正戊醇溶液液滴在加热表面的蒸发行为受自身组分及基底加热功率影响,增大正戊醇质量分数,润湿直径变大,接触角变小,润湿能力提高;液滴的润湿直径变化可分为2个阶段,在第一阶段保持恒定值,在第二阶段逐渐减小至零。在0.5 W和1.0 W加热功率下,质量分数为1.5%的正戊醇溶液液滴保持恒润湿直径的时长占蒸发总时长的比例分别为0.346和0.368,接触线滑移能力显著增强;正戊醇溶液液滴的蒸发模式包括恒润湿直径模式和混合模式,以恒润湿直径模式为主,在蒸发后期出现接触角与润湿直径同时减小的混合模式;随着正戊醇质量分数增大,保持恒润湿直径模式的时间所占比例减小,液滴三相接触线更易迁移。     

仿鲨鱼皮微沟槽结构疏水机理实验研究

从理论分析和实验测量两个方面对鲨鱼皮微沟槽结构的疏水性进行了研究.首先,利用扫描电子显微镜和表面轮廓仪对鲨鱼皮的微观结构进行研究,并结合基本的疏水理论,建立了Cassie修正模型,Cassie修正模型从理论上揭示了鲨鱼皮微沟槽结构的疏水机理.其次,采用对比实验,利用液滴形状测量仪分别对真空浇铸法制备的硅橡胶仿鲨鱼皮表面和光滑硅橡胶表面的接触角进行了测量.研究发现,硅橡胶仿鲨鱼皮表面具有明显的疏水性,同时,仿鲨鱼皮表面接触角的实际测量值与Cassie修正模型计算的理论值之间的误差仅为3.1%,也证明了所提出的Cassie修正模型的正确性和有效性.     

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.     

表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响

在以空心玻璃微珠为分散相、超纯水为分散介质的悬浮液中加入表面活性剂,通过高速摄像机研究表面活性剂对悬浮液液滴形成的影响。研究结果显示:在液滴形态变化方面,喉部直径对时间的变化率随着表面活性剂质量分数的增大而减小;液滴断裂长度与卫星液滴直径均呈现先减小后增大的趋势;形成的悬浮液液滴直径随表面活性剂质量分数的增大而逐渐减小;当表面活性剂质量分数相同时,液滴生长速率随着时间的推移而逐渐增加;在相同时刻下,液滴生长速率随着表面活性剂质量分数的增大而增大,但始终小于对照组液滴的生长速率。     

液滴在非均匀润湿表面上的动力行为

用一种改进的格子Boltzmann方法(LBM)两相流模型模拟了三维液滴在非均匀润湿表面上的动力学行为.该模型在数值精度和稳定性上都有很大改善.在几种不同的非均匀润湿表面上,分析了液滴的铺展行为和运动过程.通过对液滴分裂过程中速度场的分析,阐明了液滴在润湿梯度作用下的运动和分裂机理.     

低温冷表面结霜性能实验研究及应用

针对低温冷表面结霜情况搭建了结霜实验系统,采用显微镜、CCD摄像机观察冷表面结霜全过程,并通过改变环境温度及冷液温度研究霜晶生长状况。实验结果表明:在冷表面划痕、凹陷处率先结霜;冷液温度及环境温度对霜晶生长状况影响很大,随着冷液温度的降低,霜晶粒径减小,分布密集,生长较快;随着环境温度的降低,霜晶生长缓慢。     

-60℃水平圆管表面结霜特性的实验研究

为了探索在-60℃以下较低温区冷表面的结霜特性,设计并搭建了基于复叠制冷系统的-60℃水平圆管表面结霜特性可视化实验台,并对套管形式换热器内水平圆管外表面上湿空气顺掠管的结霜特性进行了实验研究,着重分析了结霜过程中霜层厚度及其增长速率的特性。实验结果表明:-60℃水平圆管表面霜层厚度生长速率比常温区冷表面更快,约为-15℃冷表面的两倍,同时又保持了与-15℃以上冷表面相似的生长趋势,即前期生长速率较快,然后逐渐降低。此外,还发现并分析了呈周期性出现的融霜现象和大幅突降的霜层崩塌回融两种不同特征的融霜过程。初步探索了受限通道内-60℃水平圆管表面的结霜特性,丰富了霜层特性研究数据,可为今后更加全面系统的实验研究奠定基础。     

微米级余弦槽表面疏水性及冷凝传热实验研究

为了研究余弦微槽结构的疏水性和冷凝传热性能,首先制备了不同槽峰高度和槽距的微米级余弦槽结构表面,实验研究了不同结构微槽表面的静态接触角及其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槽表面合并、脱落过程进行实验研究和热力学分析。结果表明,液滴在微槽表面的疏水性和传热性能都呈现明显的各向异性,横向静态接触角θ⊥明显高于纵向接触角θ∥。同时,冷凝传热过程中竖直纵槽阻碍液滴的横向合并,但其对液滴脱落过程起到极大促进作用,传热性能较光滑表面提高30%~50%,且峰距比越大液滴的脱落半径越小、脱落频率越高,表面传热效率也越高。水平横槽则相反,虽然增大峰距比促进了液滴合并,但却对其脱落过程产生不利影响,导致整体传热性能较纵向槽表面大幅下降,与光滑表面接近。引入表面润湿率对微槽表面的液滴脱落半径进行热力学计算,计算值与实验结果吻合较好,误差在20%以内。