SIMULATION OF HEAT TRANSFER BY WATER SPRAY COOLING DURING CONTINUOUS CASTING OF LOW CARBON STEEL

本文研究了喷雾水滴与高温物体表面之间的传热。试验测定了锥形喷嘴的冷态特性和水滴与高温表面的传热系数,讨论了影响传热系数因素,并得出了h∝W关系式。     

连续铸造铸锭与冷却水之间传热系数的确定

连续铸造温度场的计算中,铸锭与冷却水之间的对流传热系数是关键的参数,本文介绍了冷却水接触高温物体表面时的对流换热特点及传热系数的确定,揭示了温度场和传热系数相互决定的本质。     

修饰不同微结构对疏水性表面浸润性的影响

目的研究修饰微结构对疏水性材料表面浸润性的影响并指导制备超疏水表面。方法基于有限元软件建立了水滴在修饰不同微结构的疏水性表面的润湿模型,通过水滴表观接触角衡量分析了疏水材料表面修饰单一粗糙结构和复合粗糙结构对疏水性提升的效果,利用硅树脂掺杂微粒制备了不同粗糙度的疏水性涂层,涂层固化后测试其实际接触角大小,并与仿真结果对比。结果仿真结果显示,对水滴接触角为100°的表面修饰单一粗糙结构后,由于微结构形成的凹槽滞留空气,阻碍了水滴在表面铺展,使得水滴在表面的接触角增大至133°。在原微结构基础上修饰更小一级的微结构后,水滴在表面的接触角达168°,材料表面达到超疏水效果。实验中,随涂层表面粗糙度的提升,水滴在表面的接触角逐渐增大,掺混两种微粒的疏水涂层固化后,表面形成复合微观结构,水滴接触角达162°,与仿真结果拟合较好。结论在疏水性表面修饰微结构可显著提升其表面疏水性,修饰复合结构后可达到超疏水效果,此方法可用于实际工程制备超疏水表面。     

齿槽表面多级微织构构筑及其润湿机理

目的 使外科手术器械表面具有超疏水功能,有效防止感染,解决医疗器械的清洁问题,降低设备维护成本。方法 通过电火花线切割(WEDM)复合纳秒激光烧蚀在3Cr13不锈钢表面制备了亚毫米/微米多级复合织构表面,随后在表面上制备了1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液(PFDS)自组装超疏水涂层。利用台式扫描电镜和激光共聚焦显微镜观察复合织构表面形貌特征,使用接触角测量仪对水滴与复合织构表面的接触状态进行观察,并测量水滴的接触角与滚动角。利用表界面张力仪对多级织构表面黏附力进行表征。结果 微米沟槽在亚毫米齿槽斜面上均布且不同高度的沟槽形状一致,方向与齿槽平行。水滴与齿槽阵列表面为Wenzel模型接触,水滴与多级结构表面为Cassie-Baxter模型接触。齿槽阵列试样最大黏附力为164.1 μN,最小黏附力为123.5 μN,多级织构试样的黏附力分别为77.2、47、24.1 μN。结论 微米沟槽的存在改变了水滴接触状态,在亚毫米尺度上水滴与表面的接触状态由Wenzel状态转为Cassie-Baxter状态,有效改善了水滴的接触性能与滚动性能。多级织构试样齿槽顶角的减小,有效减小了固液接触面积,水滴接触角最大为163.2°。     

铸轧薄带气雾冷却用喷嘴的换热特性实验研究

铸轧薄带冷却采用气雾多喷嘴具有冷却时间短,冷却均匀等特点。通过实验研究了双喷嘴气雾冷却的换热特性。研究的因素包括水压、气压、喷嘴间距及高度、钢板温度等。结果表明,气压越大,钢板的表面传热系数越大,表面传热系数的增量在1000~1200 W/(m~2·℃·bar);水压越大,钢板的表面传热系数同样变大,表面传热系数增量在400W/(m~2·℃·bar);喷嘴间距越大、喷嘴高度越大,钢板的表面传热系数越小,喷嘴间距增大时,表面传热系数增量为-10W/(m~2·℃·mm),喷嘴高度增大时,表面传热系数增量在-4~-6 W/(m~2·℃·mm)。钢板温度每升高1℃,表面传热系数增量为-2~-4 W/(m~2·℃~2)。可以得出:气压对表面传热系数的影响最显著,水压以及喷嘴间距、高度次之,钢板温度对传热系数的影响最小。     

激光图案化铝合金表面的润湿性和各向异性研究

目的 研究水滴在超亲/超疏水图案化铝合金表面润湿性、滚动阻力各向异性和定向运输特性。方法 采用激光刻蚀和氟硅烷修饰的方法,加工出具有微网格图案的超疏水6061铝合金表面。在超疏水铝合金表面再次激光刻蚀加工出长方形、平行四边形和圆形的超亲水微流体通道。研究了亲水沟槽宽度和深度对超亲/超疏水表面各向异性润湿和各向异性滚动的影响,分析了重力作用下水滴沿微流体通道的运动情况。利用SEM、三维轮廓仪观察铝合金表面形貌。利用接触角测量仪观测水滴与表面的接触角与滚动角大小。利用高速摄像机观察水滴的运动情况。结果 水滴在超亲/超疏水铝合金表面表现出明显的润湿性各向异性和滚动阻力各向异性。10μL水滴在0.1 mm宽度的直线型沟槽上铺展,平行接触角θ_cp仅为93.9°;而垂直于线型沟槽方向,垂直接触角θ_cv却为152.6°。平行滚动角θ_rp为21.5°,而垂直滚动角θ_rv大于90°,水滴无法滚落。基于超亲/超疏水表面滚动阻力各向异性的特性,制备了依靠重力驱动实现微流体定向运输的铝合金表面。结论 亲水沟槽宽度对水滴在超...     

超疏水高/低黏附表面的冷凝传热特性

目的 获得超疏水高、低黏附表面传热性能的差异及其规律。方法 以紫铜为基底,制备了亲水、超疏水高黏附与超疏水低黏附3类表面,研究了表面黏附性、蒸汽体积流量和冷却水流量等参数对冷凝传热的影响。结果 蒸汽体积流量较小时,3类表面中,超疏水低黏附表面因液滴受到的黏附力较小而具有最大的冷凝传热系数。当蒸汽体积流量等于4.5 L/min时,超疏水高黏附和超疏水低黏附表面的传热系数分别为14.5 kW/(m².K)和19.8 kW/(m².K),相比亲水表面分别强化了3.6和4.9倍。随蒸汽流量的增加,3类表面的冷凝传热系数均逐渐增大。但高黏附表面上的液滴因受到的气–液界面剪切作用较强,其传热系数的增幅在3类表面中最为显著。当蒸汽体积流量增大到6.0 L/min时,超疏水高黏附表面的冷凝传热系数可达105 kW/(m².K),此时略大于超疏水低黏附表面的冷凝传热系数。结论 液滴所受黏附力大小和气–液界面剪切作用程度共同决定了液滴脱落直径和冷凝传热系数的大小。因此,两类超疏水表面的冷凝传热系数随蒸汽体积流量变化的曲线存在交叉点,且交叉点所对应的蒸汽体积流量随着冷却水流量的增大而增加。     

激光加工超疏水表面抗结冰性能研究进展

在低温环境中，表面结冰会严重影响户外装备的运行效率和安全，基于疏水材料的新型被动式防除冰方法引起了广泛关注。超疏水表面凭借其优越的拒水、抑制冰核形成和降低冰黏附强度等能力，在防除冰技术领域表现出广阔的应用前景。激光加工技术具有高效率和灵活性，成为制备超疏水表面的有效方法，并被进一步用来研究表面的抗结冰性能。首先，概述了固体表面润湿理论和结冰机理。其次，综合评估了激光加工超疏水表面的抗结冰性能，包括静态水滴延迟结冰时间、动态水滴累积、冰黏附强度、延迟结霜与抗冻能力、表面积冰与除冰等方面。静态水滴延迟结冰时间受到水滴与表面接触界面的成核速率和传热速率的影响，动态水滴累积与表面润湿性密切相关，冰黏附强度反映了表面对冰的附着性和除冰的难易程度。超疏水表面具有显著的延迟结冰能力，但在低温高湿条件下，表面的超疏水性可能会减弱，甚至失效。除冰过程也可能破坏超疏水表面的微观结构，进而影响其持续的抗结冰性能。最后，对超疏水表面激光加工与抗结冰性能的未来研究方向进行了展望。     

A356合金重力铸造凝固过程的空间界面传热行为与表面特征（英文）

铸件/铸型界面传热系数是影响凝固过程温度场分布的重要因素。基于改进的非线性估算法,结合A356合金重力铸造凝固过程底部与侧部界面的温度测量,利用有限元法逆向求解界面传热系数的变化。结果表明:当铸件底部形成凝壳后,该界面的传热系数达到稳定;而侧部界面的传热系数稳定阶段发生在铸件体收缩完成时;底部界面传热系数的稳定值为750 W/(m~2?℃),约为侧部界面的3倍。此外,铸件底部与侧部界面的表面形貌分析表明,凝固过程表面特征的演变导致空间界面传热系数的差异。     

铸辗成形高温出模环形铸坯的热力耦合模拟

针对铸辗连续成形环形铸件高温出模环节可能产生裂纹、变形等铸造缺陷,通过数值模拟,分析了不同出模温度对铸件热应力和应变的影响,探讨了相同出模温度条件下,不同环境温度和传热系数对铸件热应力和应变的影响。结果表明,环件内表面边界和中心部位应力及变形较大,易产生裂纹。此外,传热系数比环境温度对铸造应力影响大。出模后铸件采取保温措施后,铸件热应力和变形显著减小,裂纹倾向明显降低。     

基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

目的 制备具有防覆冰性能的微织构表面,准确评价微织构表面的结冰性能。方法 采用激光二次扫描方法,以铝合金为基底,构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面,以水滴在其表面结冰过程的图像为对象,采用阈值法分割图像和背景,对提取出的图像进行形态学运算,通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律,研究水滴结冰过程的状态变化,进一步界定水滴的结冰时间。结果 纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构,增加了试件表面的粗糙度,使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°,实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构,形成了Cw-Cn接触模型,进一步提高了试件表面的疏水性,试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高,且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度,是铝合金表面结冰时间由11 s延长到551 s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法,可以实现精确判断结冰完成时间,减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论 纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性,并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓,为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。     

SLM-Ti仿生微纳米复合结构超疏水表面的构建

以选区激光熔化技术制备的金属钛为基体,采用阳极氧化法在SLM-Ti表面微米级球形"模板"上一步制备仿生微纳米复合结构。结果表明,未经紫外光照或高温处理的SLM-TiO_2纳米管在经全氟辛基三乙氧硅烷(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane molecules, POTS)修饰后即获得了超疏水表面,其静态水接触角约163.8°,滚动角1°。对比分析了阳极氧化后商用纯钛CP-TiO_2和SLM-TiO_2的表面形貌特征和POTS修饰后的静态/动态水接触角。测得POTS修饰后的CP-TiO_2和SLM-TiO_2表面静态水接触角分别约为149.0°和163.8°,即二者均显现出静态超疏水特性。但在有自清洁、防水、防污特性要求时,材料表面的动态接触角才是更为重要的参数,在相同条件下获得的CP-TiO_2表面在倾斜至90°后水滴依然粘附在材料表面,而SLM-TiO_2表面水滴在倾斜不足1°时即快速地(155 ms内)从材料表面滚落。     

铝基彩色超疏水表面制备

先用电化学刻蚀在铝表面加工出超疏水性所需的微纳米粗糙结构,再通过直流阳极氧化在微纳米结构表面形成氧化层,并在高锰酸钾和硫酸的混合溶液中进行电解着色,最后通过氟硅烷修饰降低表面能后即可获得彩色的铝基超疏水表面。对样品表面的微观形貌、化学成分及润湿性进行了表征,结果表明:当电解加工时间为4 min时,铝表面颜色较暗,其超疏水性一般,水滴与表面的接触角达到153.1°,滚动角为1°;当电解加工时间为3 min时,铝表面为黄褐色,有较好的疏水性能,水滴与表面的接触角达到157.2°,滚动角为1°。     

基于改进差分网格的高温合金定向凝固数值模拟

辐射传热的准确计算是高温合金定向凝固过程中获得优质铸件的关键因素之一。改进有限差分网格,对高温合金叶片定向凝固传热过程进行数值模拟,并采用不同的工艺参数进行对比分析。结果表明,差分网格修正方法能在一定程度上提高规则与非规则复合几何模型的外表面辐射传热量数值计算精度;当抽拉速度为6mm/min时,合金的固液界面形态最平稳;随着型壳与合金的对流传热系数增大,叶片合金横截面的中间高温区域逐渐减小,直至横截面温度均匀,且温度场是由外向内逐渐降低。     

铜基超疏水表面改性强化冷凝传热

目的 提高超疏水铜管的传热系数,产生并长久维持珠状凝结,在冷凝过程中实现从膜状冷凝到珠状冷凝的转变。方法 首先以硬脂酸铜和环氧树脂为原料,设计并制备超疏水材料,通过静电喷涂法在铜基换热器表面制备超疏水涂层,通过喷枪将配制好的硬脂酸铜悬浮液加压,将所制备的硬脂酸铜悬浮液通过喷枪的作用分散为微米级以及纳米级的小颗粒,然后将这些小颗粒叠加涂覆到铜基底上,最终会形成具有微纳米级复合阶层粗糙结构的均匀涂层。在此基础上,搭建冷凝传热试验系统,探究水蒸气在超疏水表面冷凝传热性能。结果 试验发现,在静电压90 kV的条件下,所制备的超疏水材料和热固性粉末比例为1∶5时性能最好,接触角达到154.3°,涂层机械稳定性最佳。经喷涂处理后的换热器在高温水蒸气气流下仍保持超疏水性,且在冷凝传热试验中,超疏水铜基换热器放热量以及传热系数大大增加,放热量比常规盘管提高23.6%,而传热系数也比常规盘管提高38%。结论 通过静电喷涂法可制备出超疏水材料,且其机械稳定性较好。超疏水膜层能够有效实现液滴跳跃和自去除,在高温气流中保持超疏水性。在稳定的蒸汽流下,超疏水换热器的放热量以及传热系数比常规换热器有了较大提高。     

激光选区微织构增强不锈钢表面冷凝传热

目的针对特殊润湿性表面常用的化学法修饰具有高污染、热阻大和加工周期长的缺点,采用无化学的激光选区微织构技术增强不锈钢表面冷凝传热性能。方法用纳秒脉冲光纤激光正交扫描微织构不锈钢表面,获得正方形网格沟槽-凸起结构的超亲水表面,在电热恒温干燥箱中热处理降低其表面自由能,获得接触角156.7°与滚动角4.2°的不锈钢超疏水表面。然后对超疏水表面进行激光二次微织构,制备出楔形超疏水-超亲水选区微织构表面。通过SEM、XPS及三维光学显微镜分析表面形貌、化学成分及三维轮廓。对比单一超亲水、超疏水及原始表面,测得试样背面温度、冷凝水量和冷凝液滴平均脱落直径,根据相关冷凝传热理论公式计算出四种试样的表面冷凝传热系数。结果冷凝实验表明,楔形选区微织构表面冷凝传热系数可达到(159.7±1.8) W/(m~2·K),其表面冷凝液滴平均脱落直径达到1.2 mm,约为单一超疏水表面冷凝传热系数的2.0倍,冷凝液滴平均脱落直径为全超疏水的55%。结论选区微织构表面超亲水楔形通道对液流有自驱动作用,使冷凝液快速汇聚后脱离冷凝表面,这一选区微织构图案相比单一原始、超亲水及超疏水表面拥有更好的冷凝传热效果;同时表面冷凝液滴平均脱落直径减小,从而具有更高的冷凝传热系数。     

超疏水涂层的制备及其性能

通过在有机硅改性丙烯酸树脂中加入具有疏水作用的纳米及微米级颗粒,在碳钢表面制备超疏水涂层。利用扫描电镜和接触角测定仪对涂层表面的微观结构及疏水性能进行表征,结果表明：该涂层结构与荷叶表面的微观结构很相似,水滴与涂层表面的接触角达到了150°,涂层具有超疏水性能。     

利用液固界面摩擦力表征经典特殊润湿性生物表面

目的 用毛细管投影传感技术(MPCP)定量表征经典生物材料表面的液固界面摩擦力,揭示滚动角测试所无法揭示的液固界面作用规律.方法 利用毛细管投影传感技术(MPCP)表征了水滴在荷叶、玫瑰花瓣和蝴蝶翅膀表面的摩擦力,并进一步探讨了样品干燥、水滴大小和移动速度对液固摩擦力的影响规律.结果 当液滴体积由2μL增大到10μL时,水滴在新鲜荷叶表面的静摩擦力FS从(10.01±0.75)μN增大到(15.99±1.99)μN,动摩擦力FK由(9.10±1.30)μN增大到(11.31±0.75)μN;干燥过程使得FS由(22.11±3.44)μN上升到(34.72±1.99)μN,FK由(10.40±0.75)μN增大到(20.42±3.00)μN.与荷叶不同的是,新鲜玫瑰花瓣的静摩擦力FS和动摩擦力FK均高于冻干玫瑰花瓣,且随着水滴尺寸的增大而明显增大.由于蝴蝶翅膀结构的各项异性,顺着蝴蝶翅膀DF方向的FS和FK比反向DO方向要明显小一些,有利于水滴从体表滚落.当液滴移动速度由0.05 mm/s增大到2.05 mm/s时,荷叶表面的FS和FK变化不明显;新鲜玫瑰花瓣的FS由(70.22±1.99)μN减小到(60.21±1.99)μN,FK由(44.21±2.25)μN显著减小到(18.21±1.30)μN.而冻干玫瑰花瓣表面的FS和FK,随着液滴移动速度的增大而略微减小.蝴蝶翅膀的摩擦力对液滴移动速度表现出一定的方向依赖性,随着液滴移动速度的增大,DF向的FS和FK保持恒定,而DO向的FS和FK减小则显著一些.结论 用毛细管投影传感技术MPCP可以揭示水滴在固体表面的摩擦特征,定量表征摩擦力,弥补了滚动角只能表征液滴滚落一瞬间固体对水滴滑动的阻力,无法表征液固动摩擦的不足;定量地揭示了样品干燥、水滴大小和移动速度对水滴在荷叶、玫瑰花瓣和蝴蝶翅膀表面摩擦力的影响规律.     

多功能超疏水表面的制造和应用研究现状

荷叶表面是自然界中典型的超疏水表面,具有"出淤泥而不染"的特性,近年来,荷叶表面的超疏水现象引起了科研人员的广泛关注.普通表面经构建微纳米级粗糙结构和低表面能修饰后,可获得超疏水表面.将水滴置于超疏水表面上,水滴与超疏水表面间存在一层空气垫,空气垫可有效减小水滴与表面的接触面积,使水滴无法浸入表面微观结构中,而被"支撑"在超疏水表面上,因此超疏水表面对水表现出优异的排斥性.这种特殊性能使超疏水表面在诸多领域都有极高的应用前景和市场价值.本文对超疏水基础原理进行了梳理,并对近期超疏水领域的研究成果进行了综述.首先介绍了超疏水表面的经典润湿理论,包括Young模型、Wenzel模型和Cassie-Baxter模型.然后归纳了诸多超疏水表面的制备方法及优缺点,包括激光刻蚀法、化学沉积法、化学刻蚀法、电化学沉积法、电化学刻蚀法、热氧化法、喷涂法等.在分析不同制造方法的基础上,进一步讨论了超疏水表面在自清洁、防雾、抗结冰、耐腐蚀、液体无损转移、油水分离、摩擦发电、芯片实验室、液滴传感器等领域的应用.最后,指出超疏水表面从实验室研究走向生产应用过程中所面临的问题,并对超疏水表面的未来发展进行展望.     

K4169合金-陶瓷型壳间界面传热系数研究

界面传热系数(IHTC)是铸造数值模拟前处理时需要设置的边界条件之一,对铸件凝固过程温度场计算精度有重要影响。采用ProCAST软件反算模块和试样不同壁厚处实测温度数据反算求得K4169高温合金熔模铸造试样-陶瓷型壳间的界面传热系数,并分别用于试样熔模铸造数值模拟,结果表明,计算温度与实测温度误差均在3%以内。