超疏水表面太阳能加热金-水纳米流体液滴蒸发特性

实验研究了超疏水表面上太阳能加热金纳米流体液滴蒸发特性。用高速摄像机和红外摄像机同步触发记录了2 μl不同浓度金纳米流体液滴在超疏水表面的蒸发过程。通过一系列实验,观察对比不同浓度金纳米流体液滴蒸发过程中体积、接触角、接触直径、液滴表面温度以及蒸发速率等动态特性。结合水蒸气扩散模型以及红外温度图分析液滴在超疏水表面上的蒸发过程中蒸发通量变化以及表面温度变化等特性。发现不同浓度纳米流体液滴蒸发速率基本一致;超疏水表面上液滴蒸发以常接触角模式为主,后期呈现混合模式蒸发;液滴蒸发过程中,液滴上半部分蒸发通量大,致使液滴表面温度较低。     

超疏水表面SiO_2纳米流体液滴蒸发动力学研究

实验观察二氧化硅(SiO_2)纳米流体液滴在超疏水表面上的蒸发过程,研究SiO_2纳米颗粒的加入对于液滴蒸发过程的影响;以硅片作为亲水表面基底,荷叶作为超疏水表面基底,通过亲水表面上的蒸发模式进行对照,发现超疏水表面上液滴的蒸发有明显的四个阶段,近似于接触半径不变的(CCR)模式。然后,实验进一步探究了亲水和超疏水两种表面上液滴蒸发时间的规律,验证了亲水表面上液滴体积的2/3次方随时间直线变化规律,发现超疏水表面液滴蒸发仍然遵循该变化规律,但由于蒸发过程润湿模式的转变具有不同的两段斜率。     

太阳能加热液滴在亲疏水表面\"黏-滑\"蒸发

实验研究了亲水和疏水表面上太阳能加热去离子水及金纳米流体液滴三相接触线动力学。在亲水和疏水表面滴加2μL去离子水和纳米流体液滴,用一定功率太阳能模拟器照射液滴使其蒸发,期间采用高速摄像机实时记录液滴在不同表面上的蒸发过程。由MATLAB程序处理图像得到液滴在不同表面上蒸发过程中接触角和接触圆直径的动态变化过程。发现液滴接触线在不同亲疏水表面上存在不同运动特性。去离子水液滴在亲水表面上常接触面积模式和常接触角模式依次控制蒸发过程。去离子水液滴在疏水表面上都呈现出“黏-滑”蒸发特性,即液滴先以常接触面积模式蒸发,之后接触线快速滑动,接触线固定后再以常接触面积模式蒸发,依次往复。纳米流体液滴在亲水表面上主要以常接触面积蒸发模式为主,在疏水表面上同样呈现“黏-滑”蒸发特性。从液滴表面能角度出发,对液滴接触线“钉扎”和“去钉扎”过程进行详尽分析,得出基底润湿性和纳米颗粒沉积是影响液滴接触线在表面上运动的重要因素。     

超疏水表面液滴蒸发内部流体流动与传热分析

基于椭球模型,模拟了超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴外形、体积、接触角、表面温度和蒸发速率的变化,以及液滴内部温度和流线的分布情况。结果表明:液滴蒸发过程中,液滴顶部局部表面温度最大,接触线处最小,且随蒸发的进行表面温度逐渐减小。液滴体积演变行为区别于亲水表面,这表明基板特性影响了液滴蒸发机理。液滴蒸发初始时刻,全局蒸发速率最大,随蒸发的进行,全局蒸发速率逐渐减小。液滴表面温度分布不均匀使得液滴表面产生了张力梯度,张力梯度引起了液滴内部流体流动;近气液界面处流体由液滴顶部向下流动,液滴内部流体由下向上流动,形成了Marangoni流。流体流动伴随着热量的传递,导致接触线附近温度较低,液滴内部中心处温度较高。     

基板温度对超疏水表面液滴蒸发影响

基于椭球模型,模拟了不同基板温度条件下超疏水表面上固着纯水液滴的蒸发过程,探究了蒸发过程中液滴蒸发时间、接触角演变行为、液滴表面温度和蒸发速率等参量。结果表明:基板温度越高,液滴蒸发寿命越短,且蒸发时间随基板温度呈线性关系。液滴蒸发过程中,接触角随蒸发时间成非线性变化。因较大的高径比和较小的热扩散率,基板温度对液滴蒸发初始阶段影响较小。近接触线区域液滴表面温度梯度较大,其他区域温度梯度较小;且基板温度越高,除近接触线区域液滴表面温差越小,这说明蒸发冷却效应受到了抑制。同一体积条件下,基板温度越高,液滴蒸发速率越大,且蒸发速率随基板温度呈指数变化。     

纳米流体液滴蒸发的实验研究

采用粒径为纳米级颗粒的液滴作为研究对象,对比纯水液滴的蒸发过程,发现接触线在基板上的钉扎源于颗粒随毛细流向外移动到接触线处、在接触线附近的沉积聚集作用,最后出现了类似于“咖啡环”的环状干燥图案。随着颗粒质量分数的递增,发现蒸发过程中接触角及接触半径也相应发生变化,验证了液滴蒸发的三种蒸发模式。同时发现并解释了粘滑移动现象,以及不同粒径下发生该现象的浓度范围规律。     

氧化铝纳米流体液滴瞬态蒸发速率的演化特性分析

以氧化铝纳米流体液滴为研究对象,本文建立了基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）法的液滴蒸发瞬态模型,对液滴蒸发过程中蒸汽浓度、纳米颗粒浓度、温度等进行多物理场耦合,并考虑了Marangoni流对液滴蒸发的影响,同时研究还结合蒸发实验可视化结果,分析了氧化铝纳米流体液滴的瞬态蒸发速率随时间的演化规律,讨论了颗粒体积分数和基板温度对蒸发模式的影响。结果表明,在液滴蒸发过程开始时,纳米流体液滴保持定接触半径蒸发模式,气液界面面积逐渐减小,瞬态蒸发速率也呈逐渐减小的趋势;当颗粒体积分数增大至26%时,瞬态蒸发速率曲线达到驻点;蒸发接近完全时,由于Marangoni流影响了内部流场、强化了内部传热,且液滴在已沉积在基板上的颗粒表面形成液膜,瞬态蒸发速率迅速增大。     

纳米流体液滴在水平加热面上的变形行为特性

采用格子Boltzmann力矩模型模拟了纳米流体液滴在水平加热面上的变形过程,结果表明纳米流体液滴的变形经历了销联、解销阶段,并且由于纳米颗粒的强销联作用,在蒸发的后期可以明显看出环形沉积,这是在考虑布朗运动、粒子间相互作用等作用力后由于纳米颗粒的强销栓作用而表现出的纳米流体的独有性质。模拟结果与文献中的实验结果作了对比,表现出良好的一致性,表明格子Boltzmann方法可以成功模拟纳米流体液滴在水平加热表面蒸发过程中的变形特点。     

恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。     

恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。     

水-乙醇二元混合固着液滴的蒸发特性

选用单晶硅片和聚四氟乙烯（PTFE）膜作为基底,采用四种浓度的乙醇水溶液,研究水-乙醇二元混合液滴在固体表面上的蒸发规律。实验结果表明,添加乙醇缩短了液滴的蒸发时间,减弱了液滴的钉扎效应,使得固着液滴更容易发生滑移。并且,在同一蒸发阶段可能同时存在着两种液体的蒸发,但当乙醇浓度较高时,乙醇先于水蒸发。对于硅片表面,当乙醇浓度到达30%时,第一阶段为纯乙醇蒸发;而对于PTFE表面,该乙醇浓度阈值为20%,即固体表面的亲疏水性会影响混合液滴中两组分的蒸发次序。     

水-乙醇二元混合固着液滴的蒸发特性

选用单晶硅片和聚四氟乙烯(PTFE)膜作为基底,采用四种浓度的乙醇水溶液,研究水-乙醇二元混合液滴在固体表面上的蒸发规律。实验结果表明,添加乙醇缩短了液滴的蒸发时间,减弱了液滴的钉扎效应,使得固着液滴更容易发生滑移。并且,在同一蒸发阶段可能同时存在着两种液体的蒸发,但当乙醇浓度较高时,乙醇先于水蒸发。对于硅片表面,当乙醇浓度到达30%时,第一阶段为纯乙醇蒸发;而对于PTFE表面,该乙醇浓度阈值为20%,即固体表面的亲疏水性会影响混合液滴中两组分的蒸发次序。     

超疏水表面上的流体流动

本文以超疏水圆管内的流体流动为例,推导出一系列有滑移速度时的流体流动表达式,分析具有一定滑移速度时的流动特征,在液体与超疏水表面接触符合Cassie模型的前提下,对滑移速度和超疏水表面特征之间的关系进行了简单推导。     

Al2O3纳米流体液滴蒸发特性的数值模拟研究

纳米流体液滴蒸发现象在电子设备冷却、喷墨打印以及医学检测等领域都有广泛应用。为了研究水基Al₂O₃纳米流体液滴的蒸发特性,建立了纳米流体液滴蒸发的二维瞬态模型,考虑了纳米颗粒输运行为以及液滴内部流动的影响,并采用任意拉格朗日-欧拉法（ALE）捕捉气液运动界面。基于所建立的模型,分析了水基Al₂O₃纳米流体液滴内部Marangoni流、纳米颗粒初始浓度以及基板温度对纳米流体液滴蒸发特性的影响规律。结果表明,液滴内部Marangoni流会影响气液界面温度分布和蒸发速率。由于液滴内部纳米颗粒浓度分布和气液界面温度发生变化,纳米流体液滴的蒸发速率随着纳米颗粒初始浓度和基板温度升高而增加。     

倾斜微结构疏水表面液滴的滞后特性

倾斜微结构疏水表面液滴的滞后特性包括接触角滞后和滚动角。目前,具有较高精度的微结构疏水表面滚动角模型是以理想液滴形状为计算基础,忽略了重力、接触角滞后以及能垒引起的变形。本文以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基底,制备了方柱状微结构疏水表面,考虑疏水表面微观结构以及液滴大小两方面的因素,研究了倾斜微结构疏水表面液滴的滞后特性。从力和能量的角度对其影响机理进行了分析,通过滚动角理论值与实际值的比较发现,微方柱间距较大时,接触角滞后和能垒对滚动角影响显著,证实了该分析的合理性,为研究更加精确的滚动角模型奠定了理论基础。     

Al_2O_3纳米流体液滴蒸发特性的数值模拟研究

纳米流体液滴蒸发现象在电子设备冷却、喷墨打印以及医学检测等领域都有广泛应用。为了研究水基Al_2O_3纳米流体液滴的蒸发特性,建立了纳米流体液滴蒸发的二维瞬态模型,考虑了纳米颗粒输运行为以及液滴内部流动的影响,并采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)捕捉气液运动界面。基于所建立的模型,分析了水基Al_2O_3纳米流体液滴内部Marangoni流、纳米颗粒初始浓度以及基板温度对纳米流体液滴蒸发特性的影响规律。结果表明,液滴内部Marangoni流会影响气液界面温度分布和蒸发速率。由于液滴内部纳米颗粒浓度分布和气液界面温度发生变化,纳米流体液滴的蒸发速率随着纳米颗粒初始浓度和基板温度升高而增加。     

液滴撞击微结构疏水表面的动态特性

对去离子水滴撞击不同几何尺寸显微结构方柱和方孔状疏水表面的动态特性进行了研究。结果表明：当液滴以不同速度撞击微方柱疏水表面时,液滴展现铺展和回缩过程,且随着韦伯数（We数）增大,最大铺展直径增大,并伴随卫星液滴出现,但到达最大铺展直径的时间一致;而当液滴以相同的速度（We数相同）撞击间距不同的微方柱疏水表面时,液滴的最大铺展直径随着间距的增大而减小,且铺展过程会液滴浸润状态变得不稳定,发生由Cassie向Wenzel状态的浸润转变。当微方柱间距较小时,液滴受到的黏附功越小,越易发生向Cassie状态的转变;液滴撞击微方孔疏水表面时,液滴以规则的圆环状向外铺展和回缩,最后呈现近似规则的椭球状,不会发生向Wenzel状态的浸润转变,利用建立的物理模型对前述现象进行了分析。     

超疏水表面上液滴撞击动力学的研究

利用高速摄像技术研究了超疏水表面上液滴撞击过程的动力学。根据能量守恒观点理论研究了撞击液滴的最大铺展直径的关系式,理论推导过程不仅考虑了撞击过程中的表面能的变化,同时考虑了微结构缝隙中流体的粘性耗散作用,最终的理论关系式与实验结果相吻合。     

超疏水表面液滴合并诱导弹跳现象分析

在紫铜基表面上制备了具有微纳结构的十八烷基硫醇自组装超疏水表面,采用高速摄像和显微技术研究了水平表面上液滴合并运动特性。实验结果表明,超疏水表面上液滴合并过程中释放出的表面能可以克服表面黏附作用诱发液滴弹跳现象,液滴越小,弹跳高度越大。考虑液滴表面黏附功、液滴运动引起的黏性耗散能等,根据能量守恒原理进行了理论分析。理论分析结果表明,液滴合并诱导弹跳现象存在最小液滴半径约为39.9 μm;随着液滴半径的增大,液滴弹跳高度增大,液滴半径为83.7 μm时达到弹跳最大高度点,随着液滴半径继续增大,液滴弹跳高度减小,直至最大半径约3.9 mm时,无液滴弹跳现象发生而是在合并位置发生脉动。     

影响纳米流体液滴蒸发沉积图案的关键因素分析

目前关于液滴蒸发后沉积图案的研究主要集中于描述其物理现象的变化,但是对于蒸发过程中导致沉积图案形成的受力分析少有研究。影响纳米流体液滴蒸发沉积图案的主要因素是与液滴接触的底板温度和纳米颗粒的质量浓度。本文选用4种不同温度（30℃、47℃、64℃和81℃）的玻璃载玻片作为底板,采用粒径为20nm的3种质量分数（0.05%、0.1%和0.2%）的Al₂O₃-H₂O纳米溶液来研究纳米流体液滴在固体表面上蒸发后沉积图案的形成机理。实验结果表明,随着溶液质量分数的增加和底板温度的升高,咖啡圈效应越来越明显,且内环结构也逐渐清晰可见。其中咖啡圈效应由底板温度和溶液质量分数共同影响。溶液质量分数和底板温度都与马兰戈尼（Marangoni）效应呈正相关性,但由停滞点和Marangoni效应产生的内环结构,受底板温度的影响更大。