液滴流撞击热金属表面铺展行为实验研究

对单束液滴流撞击高温金属表面的铺展行为进行实验研究。通过观察粒径均匀稳定的液滴流撞击不同温度的金属表面,利用高速摄像机进行图像拍摄并用IPP软件进行图像分析处理。实验结果表明:液滴流在热金属表面铺展的过程中,温度对铺展行为有明显的影响,随着温度的升高,最大铺展直径减小,润湿接触角增大。在Leidenfrost温度区间内,铺展直径和接触角波动较大。     

梯度润湿性ZnOHF薄膜上液滴定向铺展行为

目前对ZnOHF的润湿性相关的研究较少。借助ZnOHF的光响应润湿性转变特性制备梯度润湿性表面,研究该表面上的液滴定向铺展行为,验证应用该表面可提高潮湿环境中的集水量。通过水热法制备花状ZnOHF薄膜,基于其光响应特性对ZnOHF薄膜进行不同时间的紫外光照制备单侧梯度润湿性表面,研究液滴在梯度表面上的定向铺展行为。采用XRD和SEM表征产物的物相组成和微观结构,使用FT-IR表征紫外光照前后ZnOHF薄膜的-OH基团变化,使用接触角测量仪表征ZnOHF薄膜的润湿性,记录液滴的铺展行为。结果表明,在紫外光照射下,薄膜的接触角变化速度先快后慢,3 h即可由152°转化为0°。在梯度表面上水滴以7.42 mm/s的速度从光照起始线向超亲水端定向铺展4.08 mm,与均匀表面（1.16 mm/s）相比铺展速度更快,距离（3.82 mm）更远;梯度表面上的液滴可以克服重力铺展,其速度（3.84 mm/s）依然大于均匀表面。液滴在梯度表面定向铺展的主要驱动力为不平衡的表面张力,不同体积的液滴铺展到光照分界线处均出现加速现象。双侧梯度表面可以使小液滴汇聚于亲水区域,当液滴累积到一定体积时会向下渗透,...     

疏水/超疏水Ti合金表面液滴的运动特性

采用激光加工技术在Ti6Al4V合金表面构建点阵微结构,利用自组装分子膜技术在微结构表面沉积低表面能物质,制备疏水/超疏水表面。采用自制测试系统测试液滴在试样表面的静态接触角和滚动角,用高速摄像机拍摄液滴滴落到试样表面的运动过程。结果表明,经激光加工和低表面能修饰可构建Ti6Al4V疏水/超疏水表面,其最大接触角为151.4°,表面静态接触角随点阵间隔的增大而减小;液滴静态接触角与液滴滴落高度相关,同一表面上的液滴静态接触角由最后一次滴落高度决定。液滴滴落到水平试样表面的铺展系数由试样表面粗糙度和静态接触角决定,表面粗糙度和静态接触角越大,液滴铺展系数越小。当滴落高度从0 mm增大到20 mm时,铺展系数的增大幅度约为50%。     

异型管管面凹凸成因分析与调整

将圆变异型管管面不平整分为凹面、凸面和凹凸面3种类型,分析其各自的产生原因:形成凸面的主要原因是管坯边长短于对应孔型边长,凹面的形成原因与凸面的则完全相反,形成凹凸面的主要原因是焊管在成型、焊接、定径过程中产生的各类压痕、孔型错位、"噘嘴"和"转角"等缺陷。针对管面各不平整类型,提出了一系列调整措施。     

液滴在双轨亲水轨道上的运动特性研究

目的 探究重力驱动液滴在双轨亲水轨道上的运动特性,揭示其力学机理。方法 采用喷涂法制备不锈钢超疏水表面,然后采用激光刻蚀法在超疏水表面上加工出不同类型的亲水轨道。研究液滴在不同轨道上的运动行为,讨论液滴运动状态与轨道参数之间的关系,并对液滴运动的力学特性进行分析。结果 液滴在平行双轨轨道上的运动阻力约为在单轨轨道上的1.6~2.4倍,其与轨道宽度呈正相关,与轨道间距呈负相关,且液滴运动终止时呈现出轨道中途停滞、轨道末端停滞、脱离轨道末端三种状态;液滴在非平行双轨轨道上的运动阻力与运动方向有关,由宽端至窄端的运动阻力较由窄端至宽端更小,前者约为后者的90.7%。结论 液滴在轨道上的运动阻力主要受液滴与亲水轨道的接触面积影响。当平行双轨轨道的间距增大时,液滴在垂直轨道的方向上拉伸效果增强,液滴将沿平行轨道的方向收缩,铺展长度减小,由此液滴与亲水轨道的接触面积减小,从而降低了液滴运动阻力;而液滴在非平行轨道不同运动方向上的阻力差异与液滴的表面张力有关。     

复合梯度楔形表面上液滴自输运特性的数值研究

目的 提高表面液滴的自输运速率。方法 在表面引入润湿梯度和楔形形状,基于VOF模型(流体体积模型)对表面液滴运动进行数值研究,并建立一种适用于润湿梯度和楔形图案联合的模型,分析润湿梯度和楔形角度对液滴位移的影响。结果 润湿梯度越大,液滴受不平衡的表面张力越大,液滴移动速度越快。润湿梯度为15 (°)/mm表面上液滴的平均速度比10、5 (°)/mm润湿梯度的表面分别快42.3%和130%。楔角越大,加速阶段的液滴移动速度越快,但会越早失去驱动力而停止移动,而楔角越小,液滴移动位移越大。液滴在40°楔角表面最先停止运动,在20°楔角表面位移比30°和40°楔角表面分别远10.3%和32.3%。联合润湿梯度和楔形图案后,15 (°)/mm表面上的液滴在20°、30°、40°和20°楔角表面上的液滴在15、10 (°)/mm下均能运动到计算模型出口,且15 (°)/mm、40°楔角表面液滴的平均速度达到292 mm/s,比单一梯度表面增长37.7%,比单一楔形图案表面(20°)增长175.5%。结论 通过调节润湿梯度和楔形角度,可有效控制液滴移动速度。联合润湿梯度和楔形图案的复合梯度楔形表面能同时减小润湿性范围瓶颈和楔形形状制约,提高表面液滴的移动速度和距离。研究结果将有助于设计高效的液滴输运功能表面,并可将其扩展到冷凝装置、微流体装置和药物检测等领域。     

飞秒激光制备梯度润湿性单晶硅表面∗

针对化学气相沉积、自组装技术等表面制备方法存在化学污染、表面结合强度低等问题,运用飞秒激光在单晶硅表面加工正方形微凹坑阵列制备梯度润湿性表面,使用白光干涉仪、扫描电子显微镜、能谱仪和接触角测量仪分别测量单晶硅表面粗糙度、微观形貌、化学成分及接触角。 通过改变激光能量密度制备不同梯度润湿性表面,研究不同激光能量密度下液滴在梯度润湿性表面上的铺展规律。 结果表明:随激光能量密度增大,表面粗糙度参数算术平均高度、均方根斜率和界面扩展面积比整体呈增大趋势,表面接触角整体呈减小趋势。 由于激光能量密度增大导致的单晶硅表面平行微凹槽、重凝层及不规则微纳结构使均方根斜率、界面扩展面积比及表面接触角出现波动。 液滴在梯度润湿性表面定向铺展分为加速与减速两个阶段,减速阶段速度伴随明显波动现象,小体积液滴的铺展速度更快。 实现了飞秒激光高精度、非接触、过程可控的梯度润湿性表面制备,结果可为制备单晶硅微流控器件提供理论参考。     

金属微液滴竖直堆积成形工艺

通过对金属微液滴竖直堆积行为的研究,探索不同成形工艺参数下,金属微液滴竖直搭接堆积、铺展形貌的变化规律,采用有限元模拟与试验验证相结合的方法,揭示金属微液滴在较大的温度梯度及较小的成形空间下竖直搭接堆积成形过程中,熔体喷射、堆积、搭接相互影响机制机理. 结果表明,在金属微液滴竖直堆积过程中,熔体加热温度、基板与喷头的距离、扫描速度、扫描路径等工艺参数都会对成形零件的表面精度和内部质量产生很大影响,因此其工艺的匹配性研究对于提高金属微液滴堆积成形的3D打印零件精度和质量有很大的理论和实际指导意义.     

超声振幅对石英玻璃表面钎料铺展行为的影响

研究不同振幅超声作用下Sn-9Zn共晶钎料液滴在石英玻璃表面动态铺展行为,并利用ANSYS ICEM CFD软件构建石英玻璃/钎料液滴二维流-固耦合的网格模型,在Fluent的2D求解器中进行数值模拟,分析不同振幅的超声对钎料液滴内部压力变化的影响。结果表明:当超声振幅为4μm时,钎料液滴最终铺展面积为0.193 cm~2;随超声振幅增加,最终铺展面积增大,超声振幅为6μm和8μm时,钎料液滴最终铺展面积分别为0.242 cm~2和0.395 cm~2。超声振幅一定时,随时间延长,钎料液滴铺展速率逐渐降低;随超声振幅增加,同一时刻钎料液滴铺展速率增大。未施加超声时钎料液滴内各位置压力均为正压,且压力值小于400 Pa,而施加超声后钎料液滴内部压力产生周期性正负交替变化,且随超声振幅增加,钎料液滴内部压力绝对值显著增加。当超声振幅为4μm时,钎料液滴内部压力绝对值最大约为700 kPa;超声振幅为8μm时,钎料液滴内部压力绝对值最大可达1400 kPa。钎料液滴上各点均存在类正弦变化压力,其声压偏移量沿液滴顶部向下逐渐增大,在下边缘位置处达到最大。由于钎料液滴受类正弦变化且偏移量不同的压力,液滴沿偏移量梯度方向流动,从而导致钎料液滴发生铺展,最终钎料液滴外观形态发生显著变化。     

CaSO4液滴在超疏水表面上的蒸发结晶特性研究

目的 在铝基底上制备稳定的超疏水表面,研究其表面上硫酸钙液滴的蒸发结晶特性。方法 通过简单的化学刻蚀法制备了一种超疏水表面,基于温湿度可控的可视化平台开展固着硫酸钙液滴的蒸发过程实验研究。同时,基于温度和相对湿度,开发了多变量拟合二次回归模型来描述其对液滴蒸发速率的影响。结果 基底温度为40、50、60 ℃时,硫酸钙液滴和纯水液滴在亲水铝片表面上的蒸发模式均表现为CCR模式,在超疏水铝片表面上均表现为CCA模式。在超疏水铝片表面,纯水液滴与硫酸钙液滴的蒸发模式略有不同:在蒸发后期,硫酸钙液滴边缘盐分增加,在重力和Marangoni效应作用下,外部逐渐形成盐壳,接触半径呈上升趋势,说明超疏水表面不利于盐滴的钉扎。当蒸发速率较低时,在外部更容易形成盐壳,一旦外部形成盐壳,蒸发机制即发生了变化,液滴内部水分子需要克服盐壳内外的压差,并通过盐壳扩散进一步蒸发。结论 通过固着液滴实验验证了硫酸钙液滴的蒸发模式与基底温度无关,而与基底的润湿性有关,并且液滴的蒸发速率随着相对湿度的降低和温度的升高而增大。通过R²=0.993 7的多变量拟合二次回归模型,对影响液滴蒸发的因素进行了方差分析,结果表明:在超疏水表面上温度和相对湿度对硫酸钙液滴的蒸发速率均有显著影响。研究成果为矿井水的资源化利用提供了有效的理论支撑。     

电流密度对铬青铜/黄铜载流配副表面温度和摩擦学特性的影响

在自制的销盘式载流摩擦磨损试验机上,采用热电偶测量法检测不同电流密度下销试样的表面温度;研究滑动速度和电流密度对配副摩擦磨损性能的影响,采用扫描电镜观察载流磨损后黄铜表面形貌。结果表明：电流密度对铬青铜/黄铜配副的摩擦学特性和表面温度有显著影响;在载流条件下,摩擦表面的温度比无电流时明显升高,电流密度越大,表面温度越高;滑动速度较低时,电流密度对材料表面温度的影响更为显著;随电流密度的增加,铬青铜/黄铜配副的摩擦因数降低,黄铜销试样的磨损率升高;磨损表面存在电弧侵蚀,电弧的存在加剧材料的磨损。     

凹槽结构强化液滴合并弹跳的数值研究

目的 为研究凹槽结构对液滴合并弹跳现象的影响,提高液滴自弹跳的速度和能量转化率。方法 通过有限元方法模拟,研究了液滴在凹槽结构上的动态行为和槽深H、槽宽W及液滴尺寸对V型槽和矩形槽上液滴的弹跳速度、无量纲速度、表面能转化率、动量和总动能的影响。结果 凹槽内与槽外液滴间的合并弹跳包含液滴接触、产生液桥、三相线收缩和液滴弹离表面4个过程;宽高比相同时,液滴弹跳速度和表面能转化率均随液滴半径先增大后减小,凹槽宽高比为1.5,液滴合并弹跳半径为0.25 mm工况下表面能转化效率最高;矩形槽与V型槽,宽高比为1.5,液滴合并弹跳半径为0.25 mm时,液滴弹跳速度与表面能转化率随半径比先增大后减小,在半径比为1时达到峰值,二者表面能转化率最大值为27.87%和30.66%。槽宽恒定时,凹槽结构强化液滴合并弹跳存在最佳凹槽宽高比和最优弹跳半径,V型槽提升液滴弹跳效率比矩形槽高约12%。结论 合并后液滴撞击V型槽侧壁的反作用力使液滴旁瓣较矩形槽更早受到侧壁面抑制而发生回流,从而提升了其能量转化效率,减少了液滴的振荡损失与黏性耗散。研究结果在设计高效的自清洁功能表面、提高冷凝表面换热效率、预防和抑制换...     

带凸面声透镜的相控阵超声检测技术

带凸面声透镜的相控阵超声技术通过设置与工件表面曲率相匹配的凸面透声楔块来改善平面探头与凹面工件的界面耦合效果,同时,凸面声透镜在圆周方向上有一定的声束聚焦作用,可有效降低凹界面的耦合损失对检测造成的不利影响.将带凸面声透镜的相控阵超声技术应用于承压设备插入式管座角焊缝的质量检测,结合实时成像技术,可以直观地显示缺陷的位...     

电镀雾锡层锡晶须生长机制的研究

研究了电镀雾锡层锡晶须在不同时效温度下的生长情形,并以统计方式探讨了锡晶须在不同形状的基材上的生长机制。结果表明：弯曲的引脚处会产生拉张及压缩应力,在凹面区域及其两侧平面所受到的压缩应力会促进锡晶须的生长,而在凸面区域及其两侧平面所受到的拉张应力会抑制锡晶须的生长;对比采用不同热处理温度的情况,锡晶须的数量和长度皆会随着温度的升高而减少。     

基于网格激光的TIG焊熔池三维表面凹凸性分析

针对钨极惰性气体保护焊熔池三维表面测量的问题,提出了基于网格结构激光熔池表面反射的测量方法,并使用CCD采集投影在成像屏上的反射结构激光视屏图像.在此基础上,分别对标准的凹面和凸面反射激光成像进行了标定与分析,进一步对不同电流大小的TIG焊过程中的熔池表面所反射于成像屏上的激光网格信息进行了分析,分析了熔池自由表面的凹凸性.结果表明,采用网格激光能更好的反映熔池表面的凹凸情况,且随着焊接电流的增加,熔池表面由凸面慢慢开始向中间凹陷转变.     

仿生表面结构设计对液滴冷凝及收集行为的影响

目的 提高仿生表面液滴冷凝及收集效率。方法 借鉴典型生物微纳结构及表面特性,采用分子动力学方法,建立水汽冷凝演化模型,分析纳米阵列形貌、亲疏水比及楔形顶角对液滴冷凝及收集行为的影响。结果 液滴在方形阵列结构中易钉扎,不利于去除;在矩形阵列结构中具有较好的流动性,且相对方形阵列表面凝结量提升了30.8%。随着亲疏水比θ的增加,沉积在阵列间隙的水分子数增多,钉扎效应加剧,更易形成膜状冷凝;相反地,θ越小,液滴倾向形成滴状冷凝并呈现Cassie态。调整楔形阵列的顶角α可以有效实现液滴的定向运动。当α为3°或6°时,楔形结构能够产生足够的Laplace压力差,驱使液滴定向运动;当α为9°或12°时,能够引导液滴在楔形结构尾端聚集,并融合成更大尺寸的液滴,凝结量相对α为0°分别提升了210.7%和193.0%,收集效率显著提高。相比于单一的仿生表面,结合沙漠甲虫和仙人掌的耦合集水策略设计出的双重仿生结构在凝结量及最大液滴尺寸上均有明显提升,有效提高了液滴的冷凝及收集效率。结论 通过调节纳米阵列形貌和楔形顶角,并合理设置亲疏水比,可有效提高液滴冷凝及收集效率。研究结果为强化冷凝功能的仿生表面设计提供了一定的理论指导。     

纳米液滴撞击润湿梯度表面的分子动力学模拟

目的 研究在液滴撞击固体表面的过程中,撞击速度和润湿梯度对液滴运动的影响。方法 采用分子动力学方法模拟纳米液滴以不同初始下落速度v0撞击带有润湿梯度的固体表面,通过改变固体表面纳米方柱的间隙来构建润湿梯度,方柱间隙越小则接触角越小、润湿性能越好。结果 当v0为0.3~1.1 nm/ps时,液滴撞击固体表面后沿固体表面朝着润湿性较强的方向移动;在v0为0.7~1.1 nm/ps时,液滴出现了二次铺展;受到液滴的初始动能和钉扎效应的影响,液滴质心离开润湿梯度表面时的移动速度vt出现了2个拐点。当v0为1.2~1.5 nm/ps时,液滴在撞击固体表面后会发生弹跳,此时液滴在v0垂直方向的速度分量随着v0的增大呈线性增大趋势,而在v0水平方向的速度分量为定值(0.017 nm/ps);液滴的弹跳速度v和弹跳角α会随着v0的增大而增大。结论 在液滴撞击带有润湿梯度的固体表面的过程中,最大铺展因子βmax与v0近似呈线性关系;低速液滴撞击固体表面后会被捕捉,并沿着润湿性强的方向移动,提出了不同撞击速度区间中vt与v0的关系式;高速液滴在撞击后会沿着润湿性较好的一侧发生弹跳,提出了液滴弹跳速度、角度与v0的关系式。     

基体预热温度对涂层表面形貌及残余应力影响的数值模拟

目的为了更好地研究分析不同的基体预热温度对所制备涂层质量的影响。方法采用求解热传导和能量方程,运用有限体积FVM法、流体体积跟踪法VOF追踪熔滴自由表面,建立熔滴撞击基体的三维几何模型,模拟了层片形成过程,分析不同基体预热温度对层片表面形貌的影响以及熔滴内部液滴形态变化的过程,在上述基础上,继续模拟第2个熔滴撞击在已凝固层片,从而形成涂层,进一步分析了不同基体预热温度对涂层表面形貌和残余应力的影响规律。结果随着基体预热温度的提高,沉积物与基体之间的温度梯度减少,有利于熔滴的铺展,铺展时间变长,气体的排放更顺畅,层片中的孔隙率降低,且层片铺展厚度随温度的提高而逐渐降低,而铺展半径逐渐增大,沉积物形貌更接近圆盘状。随着基体预热温度的提高,最终涂层形貌都是边缘厚、中间薄,但涂层中央的致密程度不断提高,且组织中的孔隙量越来越低。结论基体预热温度需处在一个范围,涂层的残余应力才会有一个最优值,使得涂层与基体有比较好的结合强度。     

NIR驱动MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面液滴定向输运

目的 制备多壁碳纳米管(MWCNT)修饰的超滑聚酰亚胺(PI)光热响应膜表面,实现近红外光(NIR)驱动液滴定向输运.方法 基于静电纺丝结合喷涂法制备MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面,分别通过扫描电子显微镜、接触角测量仪、红外热成像仪表征样品的微观形貌、润湿特性及光热特性,分析液滴大小与润滑油黏度对液滴定向输运的影响规律,研究NIR驱动液滴在MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面定向输运的作用机理.结果 MWCNT修饰PI膜表面的疏水性提高,液滴静态接触角从115°增大至160°.NIR连续照射MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面90 s,表面温度的最大上升速率为42.6℃/s,表面最大温度达到123.6℃.通过NIR照射超滑PI纳米纤维膜表面,表面局部温度上升,产生润湿梯度力,驱动液滴在表面定向输运.液滴定向输运与润湿梯度力及粘滞阻力有关.超滑PI光热响应膜表面的润滑油黏度相同时,液滴体积越小,粘滞阻力越小,液滴定向输运的速度越快.5μL液滴在润滑油黏度为0.65 mm2/s的超滑PI光热响应膜表面的运动速度最大,运动速度为1.64 mm/s.液滴体积相同时,超滑PI光热响应膜表面的润滑油黏度越大,液滴受到的润湿梯度力越小.5μL液滴在润滑油黏度为100 mm2/s的超滑PI光热响应膜表面的润湿梯度力Fwet-grad最小,润湿梯度力为6.39×10?6 N.结论 MWCNT修饰的超滑PI光热响应膜表面具有良好的光热效应,NIR可精准驱动单液滴及多液滴在表面的定向输运.     

纳米复相陶瓷超声振动平面磨削温度的试验研究

本文采用人工热电偶测温方式,对纳米ZrO2增韧氧化铝复相陶瓷,进行了普通和超声平面磨削温度试验研究.给出了普通和超声磨削两种情况下温度场的分布状态与规律,研究了不同的磨削参数,对陶瓷磨削温度的影响.研究得出:超声磨削的表面温度,一般比普通磨削的温度至少低70℃,复相陶瓷由于其材料的热特性,表现出距离表面越近,温度梯度越大的规律.磨削参数对表面温度的影响规律是,磨削深度影响最大,进给速度次之,砂轮速度最小.