粗糙表面振动液滴的浸润状态转变特性

利用疏水/超疏水表面获得滴状冷凝进而提高冷凝器传热系数是目前冷凝器强化传热的重要方法。然而,由于冷凝形成的液滴呈黏性极强的Wenzel状态,在重力作用下很难脱落,使得冷凝传热性能尤其在低冷凝负荷时并不能得到显著提高。研究表明:对粗糙表面施加垂直振动,可观察到其表面上液滴浸润状态的转变。今利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底采用光刻技术制备了方柱状和方孔状粗糙表面,对振动作用下Wenzel状态液滴的浸润状态转变特性进行了对比研究。结果表明,在一定的频率和振幅下,微方柱状表面的Wenzel状态液滴可以发生向Cassie状态转变,而方孔状表面的液滴则依然保持Wenzel状态。分析认为,在振动作用下粗糙表面Wenzel液滴能否向Cassie状态转变和其表面微观几何结构密切相关,气液固界面三相接触线的连续性是影响液滴浸润状态转变的重要指标,结合表面物理化学和液滴动力学,建立了物理模型对该现象进行了分析。     

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。     

悬垂水滴表面天然气水合物的生长特性

针对天然气水合物的喷雾法制备,设计并搭建了悬垂水滴显微实验装置,研究了不同温度和压力条件下天然气水合物在悬垂水滴表面的生长形态,建立了水滴表面水合物膜的生长模型,并通过实验研究了驱动力、过冷度、水合反应速率、气体扩散速率及十二烷基硫酸钠(SDS)浓度对水合物膜生长的影响. 结果表明,水合物膜的生长速率随过冷度的增加而增加,实验条件下测得水滴表面水合物膜的生长率为0.24~0.39 mm/s. 水滴表面水合物膜的生长为内扩散控制,水合物的活化能为13.01 kJ/mol. 当SDS浓度为550 mg/L时,界面反应速率常数有最大值0.0027 m/s.     

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。     

超疏水性表面上水滴移动的观察与解析

在微流体研究领域,为了开发低阻力的固-液界面材料,人们关注和研究水滴在超疏水性表面上的运动。在该项研究中,笔者使用超高速摄像技术观察在超疏水性表面上水滴的移动,考察材料表面与水滴的相互作用以及表面的物理和化学特性的影响。这一研究是为了实现超疏水性表面上水滴的可控运动而进行的基础研究。     

转盘边缘黏性薄液膜不同破碎模式临界转变特性

液膜在离心粒化器边缘的破碎模式直接决定了雾化后的液滴形态和尺寸分布,是影响物料品质的关键因素。针对转盘粒化器,提出临界转变系数表征液膜由膜状向纤维状破碎的转变条件,并拓展至其他破碎模式,建立了滴状向纤维状、完全纤维状及纤维状向膜状破碎转变的临界关系。结果表明,转盘表面润湿性对于液膜呈滴状以及滴状向纤维状模式转变影响显著,未完全润湿导致临界流量存在一定的随机性,转盘直径与临界流量间无明确规律;而完全纤维状以及膜状时,大直径转盘临界流量明显升高。转速、流量、密度及黏度的提高,破碎模式趋向于膜状;而增大表面张力,即使对于较大流量和转速,液膜也能维持纤维状或滴状模式。调整转盘直径将引起表面张力与离心力同时变化,若未打破平衡,其破碎模式不会改变。研究结果为转盘粒化器的设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

柔性Rushton搅拌桨的振动特性

采用数值模拟的方法分析了课题组前期开发的实验室规模的柔性叶片Rushton搅拌桨的振动特性,并采用丹麦的Brüel & Kj?r及中国的东华振动测试仪进行了实验研究。结果表明,桨轴系统的第1~6阶振型为弯曲型,第7~12阶振型为扭转型。模拟得到的固有频率与实验结果吻合较好,均表明存在集聚现象;与干模态固有频率相比,湿模态固有频率有所降低。承受高频交变激励载荷时,桨轴系统存在明显的应力和应变谐响应。桨轴系统的固有频率随转速的增大而减小,随介质黏度的增大而增大。研究结果为柔性叶片Rushton搅拌桨的放大设计及工业应用奠定了基础。     

粗糙表面不同粗糙元间局部流动与传热特性

用规则微小横肋模拟固体表面粗糙度,数值模拟和分析粗糙元间局部流动和换热特性.结果显示,在粗糙段各粗糙元间流动结构会发生变化,大体上可分为入口区、中间区和出口区.入口区流动变化比较快,不同粗糙元间壁面涡结构显示出很大不同;中间区则出现较稳定的单涡结构;与入口区类似,出口区流动结构又发生比较大的改变.阻力曲线从入口处粗糙元间的“W”形,逐渐演化到出口处正弦曲线形;换热曲线基本呈中间高、边沿低的趋势.研究表明,特定粗糙段各粗糙元间流态变化导致局部阻力和换热特性有所不同.     

子午线轮胎振动特性实验研究

利用振动实验模态分析的方法，建立了自由悬置和接地状态下轮胎的振动特性模态测试与分析系统，通过轮胎径向激振测试信号的数据处理与分析，提取了各阶的频率及其径向模态振型，分析了轮胎的模态参数随充气压力、负荷变化的规律，为实验方法的研究和轮胎结构设计及车辆的动力性能分析提供指导。     

转盘表面黏性薄液膜稳态流动特性数值模拟

转盘表面薄膜流广泛存在于转盘反应器、造粒和分子蒸馏等化工领域,其流动特性对造粒、反应以及热质传递具有重要影响。建立了稳态薄膜流动特性理论模型,并对比实验数据与数值模拟结果,研究了等效Froude数Fr、量纲1特征厚度与长度比值ε和浇注尺寸r_i对薄膜厚度分布的影响,导出了水跃和同步区半径模型并通过实验验证。结果表明：等效Froude数Fr不会对薄膜厚度分布产生明显影响;量纲1 ε和浇注尺寸r_i是水跃发生与否的决定条件,增大ε或缩小r_i有助于水跃出现,水跃半径稳定于r=0.85;平均径向速度呈典型三分区特征,缩小浇注尺寸r_i将引起浇注区范围加大而加速区范围显著缩小,导致薄膜无明显加速现象而直接进入同步区,但同步区半径维持在r=1.53。研究结果为转盘反应器以及离心粒化器等的设计与优化提供了可借鉴的理论与应用基础。     

液滴撞击高温梯度表面的动态行为特性

以铜片为基底制备了微方孔结构浸润梯度表面,利用高速摄像技术对液滴撞击高温梯度表面的动态行为特性进行了研究。结果表明：在不同表面温度和韦伯数（We）下,液滴撞击在梯度表面上会出现5种不同的撞击模式,即润湿模式、接触沸腾模式、过渡模式、碎裂模式和反弹模式;当表面温度达到Leidenfrost温度时,液滴进入反弹模式,反弹液滴会沿着梯度能方向发生多次连续弹跳行为,且由于弹跳过程中能量的不断衰减,反弹高度逐渐减小直至趋于零。基于表面物理化学理论分析了液滴的定向弹跳行为,并利用图像处理技术,分析了弹跳液滴的动态特征。进一步地,通过液滴以相同We数撞击不同表面温度实验,研究了液滴在弹跳运动过程中反弹高度、铺展因子和运动的水平加速度变化特征,发现三者随反弹次数的增加具有相似的变化过程,即呈现先快速减小、后逐渐稳定的特征。水平加速度的与铺展因子的变化趋势具有一致性,从而验证了理论分析的合理性。     

固体表面温度对冻结液滴的相变过程与表面润湿特性的影响

通过液滴可视化实验,发现并归纳了冻结液滴在不同基底温度下于铝板表面融化过程的动态表面润湿特性,结合力学分析,总结了液滴润湿面积、体积、接触角等润湿参数与相变时间之间的变化规律。实验结果表明：液滴的润湿性主要受重力、表面张力、热毛细力的影响,重力对液滴的横向扩散促进作用、表面张力与热毛细力受底板温度影响具有抑制液滴润湿过程的作用;两种不同条件下,冻结液滴高度变化规律相同,随着融化的进行,液滴高度骤降,然后缓慢降低;不同冻结条件下,冻结液滴的润湿过程主要发生在融化初始阶段,重力促进液滴的润湿过程,液滴接触角处于65°～85°之间,而在润湿后阶段,接触角减小,重力的作用减弱,表面张力的作用增强,液滴的扩散进程受阻,体积下降的趋势也变缓;不同升温条件下,冻结液滴的润湿过程几乎没有发生,热毛细力与表面张力在润湿过程中占据主导性,随着基底温度的升高,液滴内部与三相线温差逐渐增大,Ma数呈增加的趋势,数值由1802增至22876,热毛细力始终抑制液滴的运动。     

一种新型受热面飞灰颗粒的沉积特性

以一种余热锅炉中新型的受热面为研究对象,采用实验研究和数值模拟的方法研究其飞灰沉积特性。建立了菱形受热面飞灰颗粒的沉积模型,对飞灰颗粒的反弹、黏附及脱落过程进行预测,并与叉排管束和顺排管束的含灰烟气流的速度场、温度场和飞灰颗粒沉积率进行比较。结果表明,菱形受热面在换热和飞灰沉积方面优势明显。沉积主要集中于受热面左上部,颗粒由于惯性碰撞在迎风侧沉积。相同速度下,随颗粒粒径增加沉积率先增大后减小,在3 m·s^-1的烟气流速下颗粒直径为5 μm时飞灰颗粒沉积率最高,为9.49%。保持粒径不变,随速度增大沉积率逐渐降低。     

润湿剂在叶面肥料中的应用研究

利用最大气泡压力法测定表面张力 ,研究不同种类、不同浓度的表面活性剂对叶面肥料润湿性能的影响 ,并进行经济分析。     

Some observations on the surface wetting relaxation of latex rubbers

The relaxation of dynamic contact angles using distilled water was measured for some elastomeric latex rubbers (unlubricated condoms). These measurements indicated that the wetting force increased with time after the forced motion of the meniscus was stopped. The time variation of the wetting force was analyzed with the help of several models. Neither a simple exponential of the Debye type nor an exponential based on diffusion fitted the data adequately. The experimental data are described best by a stretched exponential. One mechanism for this dependence would be the dispersive motion of the meniscus because of the chemical and physical heterogeneity of the latex rubber surface. A time dependent deformation of the thin rubber sheet due to wetting may also explain the time dependence, but cannot explain all results.     

膜吸收CO2工艺中不同吸收液对膜润湿的影响

以单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和N-甲基二乙醇胺（MDEA）作为吸收液,利用聚丙烯（PP）中空纤维膜组件进行分离模拟烟气中CO₂的实验研究,考察不同吸收液的脱除效率以及长时间连续运行下的膜润湿现象。建立膜相传质阻力随时间变化模型,与实验数据拟合较好。同时将膜丝在不同吸收剂中浸泡,结合接触角、场发射扫描电镜（FE-SEM）、衰减全反射红外光谱（ATR-IR）以及热重（TG）表征分析膜性能的改变。结果表明,相同浓度下,单一吸收剂的CO₂脱除效率大小为MEA > DEA > MDEA;当吸收液为1mol/L MEA时,16天后CO₂脱除效率从93.3%下降到72.1%;而吸收液为1mol/L DEA时,脱除效率从88.3%到第16天的78%,下降约12%;理论计算得吸收液为1mol/L MEA和1mol/L DEA时,膜相传质阻力分别为10564.06s/m和4881.08s/m;浸渍时间增加,膜接触角减小,疏水性减弱,同时膜孔径变大,出现润湿现象;红外光谱和热重分析表明在MEA溶液作用下膜丝出现溶胀。     

超声波瞬间脱除冷表面冻结液滴的试验研究

试验研究了超声振荡对冷表面冻结液滴的影响。对施加频率20 kHz的超声振荡作用下冷平板上冻结液滴的脱除现象进行了可视化研究,记录了超声开启瞬间冻结液滴的脱落过程,分析了超声作用瞬间冷平板内部的温度变化规律,探讨了超声振荡瞬间脱除冻结液滴的机理。试验结果表明,超声作用瞬间冻结液滴脱离冷表面,且伴有弹开现象的发生,同时,平板内部出现温度阶跃。分析认为超声机械作用产生的剪切力以及空化作用产生的冲击力的联合作用是冻结液滴瞬间脱除的主要原因。结果表明,超声振荡能够瞬间脱除冷平板表面作为结霜基底的冻结液滴,是一种有效的除霜方法。     

一种新型受热面传热和流动特性的数值模拟及实验研究

针对余热利用过程中低温热源的含尘量高、不连续及不稳定等特点, 提出了一种新型菱形受热面结构。在传热过程中, 该受热面表现出管束叉排布置的特征, 传热过能力较强, 流动阻力较大, 壳侧对流换热表面传热系数较高。在实施吹灰过程中, 该受热面呈现出管束顺排布置的特征, 易清洗, 吹灰效率高。采用数值模拟和实验方法研究了新型受热面结构的传热和流动特性, 给出了壳侧的Nusselt数和摩擦因子随Reynolds数的变化规律。实验结果和数值分析均表明, 该受热面能够适应现有余热利用过程的基本要求, 在便于清灰和除垢的同时实现高效传热。     

Surface tension,adsorption, and wetting behaviors of natural surfactants on a PTFE surface

The adsorption kinetics and wetting behaviors of three plant‐based natural surfactants (Reetha, Shikakai, and Acacia) on the polytetrafluoroethylene (PTFE) surface are reported in this study. Adsorption studies of these surfactants on PTFE surface show the equilibrium adsorption time is approximately 15 min, and Langmuir‐type isotherm fits well for all three surfactants. The contact angle measurements show that the value achieved by Reetha and Acacia solutions are close (～109°), but that is low in the case of Shikakai (98.13°). Although, comparing the adsorption densities of the surfactants at PTFE–water and air–water interfaces, it has been found that adsorption densities at the PTFE–water interface are low for all three surfactants than that of air–water interface. The alcohol–Shikakai mixed solutions show nonideal behavior of surface tension reduction through a strong interaction between alcohol and Shikakai molecules, which in turn, show lower surface tension and contact angle values than that of ideal. © 2014 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 61: 655–663, 2015