降压环境下液滴在不同润湿性表面汽化过程实验研究

对降压环境下液滴在不同润湿性表面的汽化过程进行了实验研究,对比了在亲水和疏水表面上液滴汽化过程的无量纲尺寸变化,分析了环境压力和表面温度对亲水表面液滴汽化过程的影响。实验结果显示:降压过程中液滴在热表面的汽化过程经历四个阶段:初始状态、降压的快速汽化阶段、定接触线汽化阶段和快速收缩阶段。相同工况下,由于疏水表面的气泡数更多,抑制了液滴接触半径的收缩,液滴生存时间更长。在亲水表面上环境压力越低、表面温度越高,液滴汽化越剧烈,并且定接触线汽化阶段占整个汽化过程的比例越大。     

低压环境下闪蒸喷雾冷却不同润湿性表面的实验研究北大核心CSCD

对低压环境下闪蒸喷雾冷却不同润湿性表面的实验现象和换热特性开展研究,结果显示:喷雾至亲水表面和光滑铜表面的汽化过程分为四个阶段,即液膜形成阶段、液膜剧烈汽化阶段、固定液膜接触线的汽化阶段和液膜界面收缩阶段。进而研究了表面润湿性、环境压力、工质温度对两种表面温度变化的影响。结果表明,表面温度随时间都呈下降的趋势;亲水表面润湿性较好,喷雾阶段表面温度下降较快;环境压力越低,液体汽化越剧烈,表面的最终平衡温度也越低,但在喷雾阶段存在最佳环境压力使冷却效果最好,本文实验条件下,最佳环境压力为1.9 kPa;工质初始温度对表面最终温度影响很小。     

低压环境下闪蒸喷雾冷却不同润湿性表面的实验研究

对低压环境下闪蒸喷雾冷却不同润湿性表面的实验现象和换热特性开展研究,结果显示:喷雾至亲水表面和光滑铜表面的汽化过程分为四个阶段,即液膜形成阶段、液膜剧烈汽化阶段、固定液膜接触线的汽化阶段和液膜界面收缩阶段。进而研究了表面润湿性、环境压力、工质温度对两种表面温度变化的影响。结果表明,表面温度随时间都呈下降的趋势;亲水表面润湿性较好,喷雾阶段表面温度下降较快;环境压力越低,液体汽化越剧烈,表面的最终平衡温度也越低,但在喷雾阶段存在最佳环境压力使冷却效果最好,本文实验条件下,最佳环境压力为1.9 kPa;工质初始温度对表面最终温度影响很小。     

低压环境固着盐水液滴蒸发析晶过程实验研究

实验研究了低压环境下固着盐水液滴在不同基底表面(铜、载玻片和聚四氟乙烯)的蒸发析晶过程,分析了表面性质和环境压力的影响。结果表明,低压环境下易在接触线处析出白色盐晶。铜表面由于表面能较大,接触面上覆盖盐晶体,液滴蒸发过程接触直径几乎不变,接触角逐渐减小。在载玻片表面,当环境压力较高时,液滴蒸发造成接触线收缩,伴随盐晶体的生长和移动接触角波动。在聚四氟乙烯表面,接触面处易产生气泡,气泡的生长和爆裂导致接触角明显波动。Pe数可以揭示液滴蒸发过程外部传质扩散和内部离子扩散的相对大小。研究成果有助于指导海水淡化的工业应用。     

不同基底温度下铝基超疏水表面的抗结冰性能实验

本文利用刻蚀方法制备了铝基超疏水表面,在环境温度20℃、相对湿度60%下进行了不同基底温度(-15℃、-20℃、-25℃、-30℃)超疏水表面的静态和动态低温液滴抗结冰性能实验研究。结果表明:超疏水表面在液滴静、动态下均表现出良好抗结冰性能;在静态液滴抗结冰实验中,随着冷表面温度的降低,超疏水表面延缓结冰的时间快速下降,当基底温度为-25℃时,其抗结冰性能发生突变,并随冷表面温度的进一步降低而表现恶化;在动态液滴抗结冰实验中,当冷表面温度为-15℃和-20℃时,低温液滴能快速从低温表面弹离,而当冷表面温度为-25℃和-30℃时,低温液滴不能从超疏水表面弹离,滞留在超疏水表面上,且快速在其上冻结,超疏水表面失去了抗结冰性能。基于相关相变成核理论,分析了其抗结冰的机理。为超疏水表面在冬季空调室外换热器上的应用提供一定参考。     

不同工况下超疏水表面的凝露特性研究

超疏水表面能减少液滴的附着，减少液滴存在带来的热阻增加，提高空调、发电和海水淡化的效率。本文实验研究了不同冷表面温度(2～8℃)、空气湿度(40%～80%)、倾斜角度(0°～90°)下，超疏水表面冷凝液滴的生长特性，分析不同工况对超疏水表面凝露的影响。结果表明：随着冷表面温度的降低，液滴平均半径和表面液滴覆盖率逐渐增大，冷表面温度越低，液滴生长速率越快；在不同湿度工况下，高湿度下超疏水表面液滴生长较快，但随着时间增加，低湿度下液滴生长半径将超过中高湿度，且低中湿度工况下冷表面液滴覆盖率远小于高湿度；随着倾斜角度增大，液滴临界扫掠半径逐渐减小，垂直表面相比水平表面液滴覆盖率减少42%。     

超疏水表面融霜演化行为及排液特性

及时脱除热力除霜后冷表面残留液滴,可以延缓二次结霜。本文对室温环境下超疏水表面融霜演化行为进行了微观可视化观测,对比分析了表面倾角对裸铝表面(接触角88. 0°)及超疏水表面(接触角151. 1°)融霜排液的影响。实验结果表明,水平超疏水表面融霜过程存在单液膜卷曲收缩及多液滴合并两种行为,较大的静态接触角及较小的接触角滞后是促使多液滴合并的主要原因。与倾斜裸表面融霜过程存在大量残留液滴不同,超疏水表面融霜液可实现自排除;当表面倾角>30°时,超疏水表面排液率可达90%以上。结合表面润湿特性及表面倾角推导出表面液滴临界脱落半径,与实验结果吻合较好。     

疏水表面改性在换热器抑霜上的实验研究

对分体式空调室外换热器翅片管表面进行了疏水改性处理并搭建了可视化的结霜测试平台,在干、湿球2℃/1℃环境工况下测试了改性后和常规换热器翅片表面结霜、除霜及融霜过程的性能。实验表明疏水纳米涂层翅片表现出一定的抑霜效果:其液滴冻结时间延后、霜层薄且疏松、除霜周期延长、化霜时间缩短,但抑霜效果会在结霜后期减弱且融霜后翅片上存在残留液滴。而对于未处理的亲水裸铝翅片:其霜层冻结快、霜层较为致密、结霜程度较严重,但融霜后排液效果好。     

自然对流条件下冷表面结霜的实验研究

本文利用微观可视化观测方法,实验对比研究了裸铝(接触角78°)、疏水（接触角141°）和亲水(接触角26°)三种特性表面结霜过程。结果表明,当相对湿度为26%,表面温度为﹣10 ℃时,相比于裸铝表面,疏水表面可以延迟结霜29 min;当温度降至﹣18 ℃,疏水表面仍具有较好的抑霜效果。1 h后,疏水表面上的霜层高度仅为裸铝表面上霜层高度的68%。当表面温度为﹣26 ℃时,3种不同接触角的表面上初始霜晶的形态差异较大,疏水表面倾向于形成更加稠密的沿水平方向生长的枝状霜晶并向片状转变,而亲水表面则倾向于形成沿竖直方向生长的稀疏的针状霜晶,随着空气中水蒸气向霜晶扩散凝华,针状霜晶从顶部向底部逐渐向片状霜晶转变。     

真空环境下乙酸液滴过冷凝固过程传热传质特性

利用真空闪蒸系统对乙酸液滴在真空环境下的过冷凝固过程进行了动态观测,建立了针对单个乙酸液滴在真空环境下过冷凝固过程的传热传质数学模型。模型考虑了液相和固相内的温度分布,引入过冷凝固的动力学条件以及表面升华的传质方程描述凝固界面与升华界面的运动。综合实验测量数据和模型计算结果,掌握了乙酸液滴在环境下过冷凝固过程中的温度变化,比较了乙酸液滴和纯水液滴过冷凝固过程中温度变化的特征,分析了环境压力对液滴温度变化的影响。结果显示:与纯水液滴相比,乙酸液滴具有更高的凝固平衡温度,在实验过程中更早开始凝固。由于乙酸凝固潜热较小,再辉阶段温度上升较为缓慢,凝固时间较短。环境压力越低,凝固过程中液滴过冷度越大,凝固速度越快,液滴最终温度越低。     

翅片表面涂层对结化霜除灰特性影响的实验研究

为了解决空调换热器长时间运行后性能下降的问题,需要及时清除换热器翅片上沉积的粉尘。本文提出采用空调换热器自身的结化霜过程来实现除灰,并通过实验研究了不同翅片表面涂层对结化霜除灰效果的影响。为了对比不同翅片表面涂层的除灰效果,采用4种实验样件,包括空调换热器常用的无涂层铝片和无涂层铜片,以及通过微纳结构自组装方法制备的具有不同表面润湿性的带亲水涂层铜片和带疏水涂层铜片。通过搭建可视化实验台观测了不同样件表面的结化霜除灰过程,对比了不同样件的除灰速率与残留灰量。实验结霜工况为：样件表面温度-10 ℃,结霜时间1 h,环境温度27 ℃,相对湿度50%;化霜工况下样件表面温度为5 ℃。实验结果表明,带有疏水涂层的铜片在结化霜过程中的除灰效果最好,疏水样件上残留粉尘的质量仅是无涂层铝片上残留粉尘质量的1.9%,是无涂层铜片上残留粉尘质量的2.0%,是亲水铜片上残留粉尘质量的5.9%。     

曲面上纳米流体液滴的蒸发特性

目的 研究曲面上纳米流体在不同基板温度下的蒸发过程,分析蒸发过程中液滴内部的传热和流动特点,揭示其蒸发机理。方法 选用5种不同表面温度(15、30、45、60和75 ℃)的铜半球作为蒸发基板,以含Al2O3纳米颗粒的液滴作为蒸发流体,记录液滴蒸发过程中各参数(接触角、接触三相线和液滴剩余体积)的变化过程,对蒸发后形成的沉积图案进行测量分析。结果 液滴在曲面基板上的蒸发速率大于液滴在平面基板上的蒸发速率;在不同蒸发温度下液滴蒸发模式基本相同,且蒸发过程中接触线均出现了滑移现象,接触角在第2阶段的减小速率更大;随基板温度的升高,咖啡环明显变窄,马兰戈尼数明显增大,蒸发速率加快。结论 曲面基板相对于平面基板加强了液滴内部的对流换热,纳米流体的蒸发模式不受温度和曲率的影响,蒸发后期液滴内部的对流换热效果相较于表面散热效果更加强烈,随基板温度升高,马兰戈尼效应对咖啡环形成的影响加强。     

接触角和质量分数对液滴冻结过程的影响

本文通过FLUENT软件的凝固/熔化模型,模拟了接触角及质量分数对纯水和氯化钠溶液在冷表面冻结过程的影响,选择铜片为亲水表面,纳米膜表面为疏水表面,对液滴在不同表面特性条件下的冻结过程进行实验研究。结果表明：液滴在冷表面的冻结特性与接触角、质量分数有关。当溶液质量分数一定时,接触角越小,液滴冻结速度越快,完全冻结时间越短;在冻结过程的初始时刻,接触角越小,液滴底部温度越低;当冻结时刻相同、液滴高度一致时,液滴表面的温度和液相分数均比液滴内部低;接触角相同时,溶液质量分数与液滴的开始冻结温度成反比,与完全冻结时间成正比。对比实验结果与模拟可知,不同质量分数的氯化钠液滴在接触角为60°和100°时,冻结时间的变化趋势一致,但实验值大于模拟值。     

液滴撞击冷超疏水表面动力学特性分析

采用氟化物改性和喷涂法制备出一种具有边缘效应抗冷凝失效性能的宏观蜂窝结构化超疏水涂层,通过高速摄影和图像处理方法,研究液滴撞击普通光滑铝表面、普通超疏水表面和蜂窝状结构化超疏水表面的撞击过程,获得了接触时间、铺展系数的关系。引入分形维数对凝结液滴生长形貌进行分析,研究结果表明,随着凝结量的增加,超疏水表面形貌越复杂,分形维数越高,液滴撞击后纵向伸展长度越小,液滴最终粘附在超疏水表面。而具有边缘效应的宏观蜂窝结构具有一定的抗冷凝失效性能,并且加速液滴的分裂和在表面的脱离。     

超疏水表面结构对结露影响的研究

利用仿生技术制备超疏水表面可以防止或减少金属表面结露结霜,得到了广泛深入地研究。就是利用这一技术采用激光刻蚀和纳米溶液制备超疏水表面分别得到了具有超疏水性能的铝块、硅片。并将这些样品搁置在一定的环境条件下利用高速摄像机观察其表面的抗凝露效果,提出了采用液滴在表面脱落频率和脱落直径来衡量固体表面上的液滴更新频率的快慢,进而衡量固体表面的抗凝效果。通过观察普通铝块与超疏水铝块、不同结构的超疏水硅片之间的表面凝露情况,得出超疏水表面的凝结的水滴与样品的表面接触角大,接触面积较小,以Cassie-Baxter状态悬停在微纳米方柱上,在很小的外力作用下就能离开固体表面,从而达到抗凝露效果。     

磁场对铜板冷表面抑霜的可视化研究

为了研究弱磁对凝结液滴冻结和结霜过程的影响。通过在冷表面两侧施加永磁铁的方式,探究磁场(0—70 mT)和液滴冻结时间、大小、霜厚及结霜质量的关系。实验结果表明:在相同的工况下,随着磁场强度的增加,冷表面上发生液滴冻结的时间逐渐延长,但随湿度增加到一定程度时,液滴冻结的时间与磁场强度的关系并不是呈线性关系;另外,在不同磁场强度下,冻结液滴的尺寸不同;在结霜过程中,霜层生长的速度随着磁场强度的增加而变缓,结霜质量随之减少。以上的结果表明,一定的磁场强度对冷表面上液滴的冻结和霜层的生长均能起到一定的抑制作用,但随着冷表面温度的降低和环境湿度的增加,磁场对液滴冻结和结霜过程的抑制作用会减弱。     

疏水性对竖直冷表面上自然对流结霜特性的影响

本文采用控制表面氧化法制备超疏水表面(153. 2°),并对自然对流条件下竖直放置的超疏水表面与裸铜表面进行可视化结霜实验,观察并对比实验初期有液核与无液核生成成霜时疏水性对结霜过程的影响,研究了疏水性对结霜的影响随冷表面温度(-50～-30℃)、空气相对湿度(30%～70%)的变化规律。结果表明,有液核成霜时,超疏水表面具有显著的抑霜效果;无液核成霜时,疏水表面不再具有抑霜效果,反而超疏水表面霜晶生长更为密实;疏水性对无液核成霜过程的影响随空气相对湿度的增大、冷表面温度的降低而减弱;从云物理学与核化理论角度分析了无液核生成时超疏水表面霜晶分布更密的原因,发现实验制备的超疏水表面上凹坑与CuO晶体颗粒为凝华核化提供了有利位置。     

真空闪蒸喷雾冷却中非等温液滴闪蒸特性的研究

真空闪蒸喷雾冷却是利用液体工质在真空环境下相变吸热来冷却加热表面的新型冷却手段。具有散热能力强、所需工质少,与加热表面没有接触热阻等优点,在航天器电子元器件冷却方面具有广阔的应用前景。液滴闪蒸是真空闪蒸喷雾冷却闪蒸过程的重要组成部分,要研究整个真空闪蒸喷雾冷却系统的闪蒸过程就必须对液滴的闪蒸特性进行研究。本文考虑液滴闪蒸过程中液滴内部存在的温度梯度和对流的影响,采用扩散控制蒸发模型并结合导热方程,对液滴的热导率进行修正,建立了热导率修正模型计算直径为微米级液滴在毫秒量级时间内的真空闪蒸特性,并通过实验验证。研究结果表明,导热模型较等温模型能更准确地预测液滴温度的变化;液滴闪蒸导致液滴到达被冷却表面时,其温度下降明显,但体积几乎没有变化;并且,环境压力越低,液滴的初始半径越小,液滴速度越大,液滴闪蒸对液滴温度的影响越明显。     

基于Boltzamnn方法的表面微纳结构对材料润湿性能的影响

采用格子Boltzmann方法从理论和数值计算角度探究了具有微柱阵列材料表面的润湿性,从而为材料表面形貌设计和加工提供参考。通过改变微柱的尺寸来探究材料表面的微纳结构与润湿性能的关系。采用Shan-Chen模型和D2Q9离散速度模型计算液滴的接触角。仿真结果表明对于疏水表面随着微柱的面积分数减小材料疏水性能增加,并且修饰微纳复合结构能使Cassie-Baxter状态更加稳定;对于亲水表面,增加微结构或微纳复合结构会使材料表面更加亲水。仿真结果和理论与现有实验结果一致。     

雾化闪蒸系统中过热液滴泡状破碎现象的实验研究

真空雾化闪蒸技术可以提升溶液分离率,有效利用低品位热能,从而降低除湿溶液再生流程所需能量。不同于常压环境,高真空度环境下,热管表面过热液体易出现爆发性沸腾现象。本文采用3.5wt%Nacl溶液为测试溶液,通过可视化实验,观察真空环境下液滴内爆发性沸腾现象,分析其破碎形态及破碎特性。结果表明:不同于常压环境下液滴内核态沸腾,真空环境下液体处于过热状态且存在温度梯度和浓度梯度,导致Marangoni对流出现,使得液滴核化点位于其上表面,并出现泡状破碎。液滴破碎时间主要受环境压力和表面过热度的影响,随着环境压力的降低和表面过热度的增加而缩短。