超疏水表面微通道内水的传热特性

微通道传热效率高但流动阻力大,超疏水表面因其与水具有滑移边界而表现出低流阻的特征,在微过程中具有应用前景。利用化学刻蚀法制备出具有微纳米阶层结构的铝基超疏水表面微通道(内径为0.68mm)。在超疏/亲水微通道内进行了水的流动传热实验研究,并将结果进行对比。研究发现存在于超疏水表面微纳米结构里的气泡层减小了水的流动阻力,也降低了表面传热系数,但降低程度明显小于流动阻力的降低,传热系数高于考虑纳米气泡层计算的传热系数。因此认为在水的滑移速度作用下,凹穴中微纳米级气泡内产生了气体的涡旋流动,一定程度上增强了传热效果。     

超疏水微圆管内流动的数值模拟

在实验研究超疏水微通道流动特性的基础上,建立了超疏水微通道流动模型,并利用FLUENT软件选择了合适控制方程,进行了数值模拟。对滑移壁面与无滑移壁面速度分布进行了对比分析。模拟得到的滑移速度,无量纲压降与实验值吻合性较好,最大相对误差分不超过15％、20％。分析了无量纲压降随着Re减小的原因是由于滑移效应的减弱,滑移长度的模拟值与实验值吻合较好,相对误差不超过20％,根据流场分析得出滑移长度可以反映滑移效应的大小。     

超疏水微通道传热机理

介绍了在微尺度下化工流体流动和传热的特性,在实验研究超疏水微通道流动传热特性的基础上,建立了超疏水微通道凹槽的半球传热模型,并利用FLUENT软件,进行了数值模拟。对模拟的内部流场、温度场和传热系数的分布进行了分析,模拟得到的传热系数与实验值吻合性较好,本文认为在滑移速度的作用下,对传热具有促进作用。     

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。     

微模塑技术制备聚丙烯超疏水表面

超疏水界面材料因其在自清洁、抗结冰、流体减阻等方面的广阔应用前景而获得了广泛的关注。以商业化阳极氧化铝为模板,采用热压-剥离技术制备了超疏水聚丙烯薄膜。扫描电镜(SEM)图证实,所得聚丙烯(PP)表面均具有纳米草结构。接触角(CA)测试结果显示,得到的聚丙烯(PP)薄膜与水滴的接触角达到了150°。     

超疏水表面的制备方法

近年来,超疏水表面因在生产、生活和基础研究领域具有广泛而重要的用途,引起了研究者的广泛重视。目前,关于超疏水表面的制备方法有很多,本文将介绍几种常见超疏水表面的制备方法。     

基于抛物线形气-液界面的超疏水微通道减阻特性

针对超疏水表面微通道中的流动减阻特性,基于抛物线形气-液界面假设,采用VOF模型模拟了微通道中的二维层流流动,分析了流动和结构参数对减阻效果的影响。结果表明,含矩形微坑的超疏水表面微通道具有显著减阻作用,fRe随Reynolds数增大而略有提高,量纲1压降比随入口速度增大而略有下降。当增大微坑面积比或减小微通道高度时,fRe减小,量纲1压降比增大;且微通道高度越小,微坑面积比对fRe的影响越显著。随抛物线形高度增加,压降比和滑移长度均线性减小,而fRe则线性增加。当微坑深度大于其宽度的40%时,压降比和滑移长度趋于定值。微坑形状对减阻效果的影响依次是燕尾形、矩形、梯形和三角形。     

超疏水表面有滑移时的层流换热分析

在考虑速度滑移的前提下,对于圆管形微通道内温度边界层充分发展的恒热流量对流传热,推导了速度和温度分布表达式,并进一步得到对流传热系数和Nusselt数计算式。此外,还针对超疏水表面不同结构参数下的滞留空气层,提出了超疏水表面的有效导热模型,推导出超疏水表面不同结构参数下的热阻。最后将传热系数与超疏水表面热阻进行耦合,得出超疏水表面有效传热系数及其与超疏水表面结构参数的关系。计算结果表明:超疏水表面上流体的滑移使得管内温度更加均匀,传热系数或Nusselt数有所增加,恒热流条件下最多可以增加1.8倍;超疏水表面热阻随肋间距和肋高的增加而增大;超疏水表面的表观传热系数随肋间距或孔宽的增加而显著降低,随肋高或孔深的增加,表观传热系数也降低,其幅度与肋间距以及肋高与肋间距之比有关;各种结构参数条件下均存在表面滞留空气层的临界厚度,在此厚度以下表面有效传热系数不低于普通表面无滑移时的数值。因此,需要综合考虑超疏水表面的结构参数,包括肋高、肋间隙等,才能使超疏水表面有利于传热。     

微纳结构超疏水表面的制备及应用研究进展

在自然界中,如莲叶、水燕等,由于其独特的微纳结构及低表面能特性,表现出优异的超疏水性能,构筑具有仿生性质的超疏水材料,并在其中发挥着重要作用。介绍了近年来超疏水材料领域取得的一些成果,综述了模板法、激光刻蚀法、等离子体处理法、静电纺丝技术、电化学腐蚀、相分离法等多种方法的研究进展,还介绍了超疏水材料在自清洁、防结冰、油水分离、抗腐蚀和减阻等方面的应用。最后,对超疏水表面的制备和应用做了总结,探讨了制备超疏水表面的未来方向。     

沉积碳纳米微球制备超疏水表面

通过采用长链脂肪烃混合物在大气环境下的不完全燃烧,将其产生的碳纳米微球沉积在铝合金基底,制备一种具有稳定超疏水性能的表面。该方法简捷高效、所用原料廉价易得、操作简单、无需特殊设备。所制备的超疏水表面不仅对纯水具有很高的接触角,而且对于腐蚀性液滴也保持了很高的接触角。采用透射电镜和扫描电镜分别研究了所制备的超疏水表面的表面形貌以及碳纳米微球的微观结构,结果表明,碳纳米微球在微米尺度上的堆积和其50 nm的直径赋予了表面超疏水性能。     

Capillary driven flow in wettability altered microchannel

The capillary driven flow of water inside a microchannel with altered wettabilities is experimentally investigated and modeled theoretically. The surfaces of the PDMS made microchannel are exposed to oxygen plasma, rendering the surfaces increasingly hydrophilic, which provides the driving force for the flow. The plasma treated surfaces are characterized using topography and phase imaging of AFM scanning, as well as nano‐indentation, to correlate the distinct structural changes to the hydrodynamic profiles of the advancing meniscus. The experimental results are further analyzed using a newly proposed slip velocity model. The aim is to obtain a qualitative relationship between the surface properties and the flow parameters, namely the advancing meniscus velocity and pressure drop inside the channel. The insights are of fundamental importance in diverse fields, such as enhanced oil recovery, microfluidic devices, cell separation, and pathology. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 4616–4627, 2017     

Effect of surface property on mass flux in a variable-section microchannel

For microfluidic systems, interfacial phenomena in micro-reactors are of great importance because they control the transfer and reaction characteristics. This paper dwells on how the surface property and geometry influence the mass flux in a complex microchannel. The lattice Boltzmann method(LBM) with a pseudo potential model and the Shan–Chen model for the interaction between fluid and hydrophobic surface were built up, so a boundary slip effect was added and verified. On this basis, a microchannel with variable-section geometry was simulated. The results indicate that the optimal design and the flow pattern are quite different under hydrophilic and hydrophobic conditions. A microchannel with sequential hydrophilic and hydrophobic surface was also simulated. The numerical results indicate that the hydrophobic wall can improve the mass flux, irrespective of microchannel geometry. Particularly, an empirical correlation with a linearly relationship between length of hydrophobic segment and mass flux was obtained for the straight microchannel.     

非共沸混合物微通道内流动沸腾特性

引言 近30年来,工程技术的发展正朝微型化迈进,微型结构冷却技术在微电子、航天航空、生物医药和微型换热器等高新技术领域得到越来越多应用,由于沸腾换热是一种高强度的换热方式,微型通道内的流动沸腾换热特征的研究变得越来越重要.     

Effects of gas concentration on hydrodynamics of gas absorption in a microchannel

In this article, the effects of gas concentration on hydrodynamics of gas–liquid two-phase flow with mass transfer during gas absorption in a microchannel are investigated, by using 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP) solution to absorb mixtures of CO₂ and N₂ with various volume fractions. The concentration of CO₂ not only affects the driving force of gas–liquid mass transfer, but also affects the pressure drop of gas–liquid two-phase flow. The average linear velocity of the liquid phase is estimated by introducing the void fraction, which accurately characterizes the difference in the bubble velocity versus the liquid velocity. On this basis, the pressure drop model of gas–liquid two-phase flow with mass transfer in a microchannel is established. Through the pressure drop model, the influence mechanism of CO₂ concentration on the pressure drop during gas absorption in a microchannel is revealed.     

微通道内伴有化学吸收气液两相流的空隙率与压力降

微通道内气液两相流空隙率与压力降对微反应器的热质传递性能有显著影响,是微反应器的重要设计参数。采用高速摄像仪和压力测量系统分别对矩形微通道内单乙醇胺水溶液化学吸收CO₂过程的空隙率和压力降进行了研究,考察了弹状流下气液两相流量与化学反应速率对空隙率及压力降的影响。结果表明:当液相流量一定时,微通道内空隙率和压力降均随着气相流量的增大而增大,空隙率随化学反应速率的增大而减小,压力降随化学反应速率的增大而增大;当气相流量一定时,随着液相流量和化学反应速率的上升,微通道内空隙率下降,而压力降上升。提出了微通道内伴有化学吸收的空隙率和压力降的半理论预测模型,模型平均误差分别为15.79%和11.12%,显示了良好的预测性能。     

化学刻蚀法制备黄铜基超疏水表面

采用含有三氯化铁和盐酸的水溶液刻蚀金属黄铜表面，在黄铜表面上得到了一层由不规则块状结构和更细小的乳突状结构相结合的具有双重粗糙度的阶层结构。该表面经氟化处理后表现出超疏水性，水在该表面上的接触角达到了157°，接触角滞后为5°。考察了不同刻蚀时间对表面疏水性的影响，结果表明，刻蚀时间对表面上这种阶层结构的形成和水滴在表面上的接触角数据都有十分重要的影响。随着刻蚀时间的增加，表面上逐渐开始形成粗糙结构，接触角数据也不断增加，增加到一定数值后，接触角变化开始不明显。接触角滞后随着接触角的增加而减小。初步分析了这种阶层结构的形成机制，并用Cassie理论对表面的润湿性进行了分析。     

微肋阵通道流动沸腾换热与压降特性

为探究不同截面微肋阵通道内的流动沸腾换热机理,以去离子水为工质,在质量流速为96～224 kg·m^-2·s^-1,有效热通量为10～240 W·cm^-2的范围内,对圆形、菱形、椭圆形微肋阵通道内流动沸腾换热及压降特性进行了实验研究,同时对微通道内流动沸腾的不稳定性进行了分析。通过实验发现：在低热通量下,核态沸腾占主导地位,而在中高热通量下,薄膜蒸发对流换热为主要沸腾机制;沸腾传热系数随着热通量和出口干度的增加而减小,两相压降随着热通量和出口干度的增加而增大;微肋阵肋间形成的次级通道宽度对换热和两相压降有很大的影响,次级通道越宽,气泡越容易脱离,换热效果越好,压降越大;微肋的存在抑制了气泡的反向流动,减小了沸腾不稳定性,推迟了临界热通量的发生,椭圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最好,而圆形微肋阵通道的流动沸腾稳定性最差。     

周期性扩缩微通道内气液两相流型及其演变特性

以空气和水为实验工质,利用IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜组成的可视化系统对水平放置的PDMS周期性扩缩微通道内的气液两相流型及其演变特性进行实验研究。观察到的主要流型为间歇流和分离流。对于间歇流,气体以离散形式分布在液相中或者是液体以分散形式分布在气相中,而且气相分散跟液相分散交替存在。对于分离流,气体主要沿气体进口壁侧流动,液体主要沿液体进口壁侧流动。两相中存在明显的分界面,沿流动方向界面产生波动。通过改变气液两相表观流速,得到气液两相流型分布,进而提出间歇流与分离流流型转换的准则关系式。结果表明,同一液相表观流速下,三角凹穴型微通道间歇流向分离流转变所需的气相表观流速略小于扇形凹穴微通道。