润湿性影响薄液膜沸腾传热的分子动力学研究

纳米尺度下表面润湿性如何影响薄液膜沸腾传热仍是一个具有挑战性的研究. 本研究采用分子动力学 方法探讨壁面润湿性影响纳米尺度薄液膜沸腾换热的机制. 结果发现: 亲水表面能够显著地提升沸腾换热性 能, 有较早的沸腾起始时间, 较高的升温速率、热流密度和界面导热率, 以及较小的界面热阻. 通过建立二维 表面势能模型, 揭示表面润湿性影响纳米尺度沸腾换热的机理. 亲水壁面的表面势能为-0.34 eV, 而疏水壁面 的表面势能仅为-0.09 eV, 提升表面润湿性强化沸腾传热的本质原因是表面势能绝对值的提高. 此外, 通过计 算分子间的相互作用能, 揭示了纳米尺度下亲疏水壁面的成核机理. 水分子-亲水壁面、水分子-疏水壁面和 水分子内部的相互作用能分别为 1.57, 0.26 和 0.48 eV/nm^(2). 亲水表面的界面能大于水分子内部的相互作用 能, 因此亲水表面上气泡成核发生在水膜内部;疏水表面上的界面能比水分子内部的相互作用能弱, 疏水表 面的气泡成核发生在固/液界面处. 本研究揭示了表面润湿性如何影响纳米尺度薄液膜沸腾传热和气泡成核 的主要机制.

前进接触线薄液膜结构与运移机制

气-液-固三相接触线薄液膜微观结构认识不清使得动态接触角预测问题始终存在争议.本文通过大规模分子动力学模拟研究液滴动态润湿过程,获得了完全浸润液滴前进接触线区域的前驱液膜结构、部分浸润液滴前进接触线区域的纳米级凸起结构.首次在模拟中获得了微观接触角与宏观接触角随时间的动态演变规律.分子轨迹追踪揭示了接触线薄液膜区域流体在固体表面摩擦作用下,随速度增大从滑动为主向滚动为主的模式转变,进而在底层出现气体裹挟导致滑移、发生溅射的机制.本研究为进一步构建普适的动态接触角预测模型提供了关键物理依据.

石英晶体微天平研究Zn在薄液膜下的腐蚀动力学

用石英晶体微天平 (QCM)测量了在相对湿度 RH为 85％的薄液膜条件下 ,金属 Zn在不同 CO2浓度条件下的腐蚀增质方程 .同时结合红外吸收光谱 (IR)和 X射线能谱 (XEDS)研究了 Zn在薄液膜下的大气腐蚀机理 ,并用扫描电子显微镜 (SEM)对腐蚀产物形貌做了分析 ,阐述了腐蚀产物的形成特征及对基体金属的保护特性 .

903钢在NaCl溶液和薄液膜中的腐蚀规律

金属在海洋中的腐蚀受Cl-浓度和溶液中溶解氧含量的影响,以往的研究多为低Cl-浓度下的腐蚀,对于高Cl-浓度及与溶解氧含量相关的研究较少。为此,采用动电位扫描和电化学阻抗谱(EIS)方法,研究了船用903钢在不同NaCl浓度溶液及薄液膜中的腐蚀规律,探讨了Cl-浓度变化过程中溶解氧含量对903钢腐蚀的影响。结果表明:903钢在NaCl溶液及薄液膜中的腐蚀规律是不同的,初期随Cl-浓度的升高,溶液中的腐蚀速率先升高后降低,而在薄液膜中腐蚀速率一直升高;相同Cl-浓度下,薄液膜中的溶解氧含量高于溶液中的溶解氧含量,其腐蚀速率比溶液中的高。腐蚀规律不同的主要原因是溶解氧含量不同。

蒸发、等温或冷凝薄液膜二维表面波的通用时空稳定性方程

处于蒸发或冷凝状态下的液膜,由于界面热不平衡效应的影响,导致其汽液界面条件与等温情形明显不同,这在一定程度上将影响液膜流动的稳定性。该文以边界层理论为基础,考虑完整的边界条件,推导沿倾斜壁面下降的、处于蒸发、等温和冷凝状态下普遍适用的二维表面波通用时空稳定性方程。方程中包含了雷诺数、热毛细力、倾角、流体物性以及蒸发、等温和冷凝条件的影响。通过中性稳定性特征曲线进一步分析了上述因素在不同雷诺数下的作用,从理论上揭示了液膜表面波流动的稳定性特征。

NaCl薄液膜下不锈钢腐蚀行为研究

利用Kelvin探针参比电极技术和电化学阻抗方法研究了不锈钢在不同厚度NaCI薄液膜下的腐蚀行为．结果表明：在0．35％NaCl液膜厚度7～90μm范围内，随着液层厚度的增大，不锈钢在薄液膜下腐蚀的氧扩散控制特征越显著，而且氧还原反应极限电流逐渐降低；3．5％NaCI薄液膜下阻抗测得的溶液电阻随着液膜增厚而首先迅速降低然后趋于平稳；在液层较厚时（425～120μm）随着液层厚度的减小，腐蚀速度受氧扩散控制逐渐增大；液层厚度减薄至40～120μm区间，由于阳极反应受抑制和阴极反应加速的共同影响腐蚀速度会出现极小值；液层厚度非常薄（20μm以下）时由于电流分布不均匀抑制了氧还原，腐蚀速度很低．

薄液膜二维表面驻波的流动稳定性研究

驻波作为薄液膜表面波中的一种波 ,其流动稳定性受界面热不平衡效应的影响。基于边界层理论和界面热不平衡效应 ,推导出沿倾斜璧面下降的在蒸发、等温和冷凝状态下普遍适用的二维表面驻波空间稳定性方程 ,从理论上深入分析了热不平衡效应、流体物性、壁面倾角和雷诺数对驻波稳定性的影响。研究表明 :热不平衡效应对驻波稳定性的影响仅在小雷诺数下较为明显 ,在高雷诺数下 ,稳定性主要取决于惯性力和粘性力 ;

电场作用下金属锌在薄液膜下的腐蚀电化学研究

采用薄液膜实验装置,测量了外加直流电场作用下锌在薄液膜体系中的腐蚀电位、阴极极化电流以及阴极极化曲线等.研究了外加直流电场对锌在薄液膜下腐蚀行为的影响.结果表明,外电场的作用可以使锌电极的腐蚀电位负移,也可以使锌电极在阴极极化条件下的阴极电流增加.分析结果表明,外电场与薄液膜体系中锌电极电化学过程中的相关因素发生了协同作用,改变了锌电极的阴极过程.

毛细微结构中延展薄液膜过渡区的蒸发特性

毛细力驱动下微细通道内延展薄液膜的蒸发是很多高效热控和热沉装置的关键换热环节。借助表观接触角的演化,建立起包含固有弯月面、过渡薄液膜和平衡区三部分的延展薄液膜形状及其表面蒸发的物理数学模型,并考虑液膜的结构、工质物性和通道特征尺度,引入分离压力和毛细压力比确定液膜不同区域的范围。分析结果表明,过渡薄液膜区域占整个延展弯月面区的比例很小,但气液界面的温度变化非常明显;薄液膜过渡区对传热的主要贡献不在于增加总换热量,而是通过界面温度变化产生的Marangoni效应,对整个液膜区域的流动产生显著的"泵吸"作用。描述了过渡薄液膜区表面蒸发率和液膜平均速度的变化规律,发现受液膜导热热阻和分离压力产生吸附作用的综合影响,该区域的蒸发率存在局部最大值。

纯水薄液膜下Q235钢潮湿时间的影响因素和腐蚀速度的磁阻研究

以温度、相对湿度和浸润时间为影响因素,研究了纯水薄液膜下Q235钢潮湿时间的影响规律,结合磁阻探头技术和作者提出的积分过滤算法(IFA),分析了腐蚀早期阶段的腐蚀速度变化规律。首先将数据挖掘技术中的标准化处理引入了多变量影响因素分析,显著提高了结果的准确性。研究表明,温度和湿度对碳钢潮湿时间的影响远较浸润时间为大,且温度的影响与试样表面有无腐蚀产物相关。随着温度的提高,温度对清洁试样潮湿时间的影响逐渐加大,大致在20℃左右出现明显的转折;湿度对清洁试样潮湿时间的影响则随着温度的升高逐渐下降。通过磁阻探头技术计算得到的腐蚀速度的聚类分析,以20℃和相对湿度80%为分界点,大致将腐蚀速度分为两个区,即低和高腐蚀速度区,两区的腐蚀速度相差约4倍左右。在低腐蚀速度区,实验观察到腐蚀初期可标识腐蚀历程转变的磁阻探头寿命单元(PLU)平台,而相应PLU平台在高腐蚀速度区则不明显,对相关的腐蚀机理作了初步的讨论。

蒸发或冷凝薄液膜的空间稳定性分析

该文以边界层理论为基础,考虑完整的边界条件,研究了液膜在蒸发、等温和冷凝状态下的线性二维表面波扰动的空间稳定性,对两种不同类型扰动的稳定性进行了理论研究,给出了波数,空间增长率以及波速的变化趋势,分析了雷诺数、倾角、热毛细力以及在蒸发、等温和冷凝三种状态对液膜稳定性的影响。

电化学方法研究纯镁在薄液膜下的腐蚀行为Ⅰ-O_2对纯镁在薄液膜下腐蚀行为的影响

用电化学法研究了纯镁在未除氧和除氧的下不同厚度薄液膜下的腐蚀行为.结果表明:薄液膜下纯镁腐蚀的阴极过程受氢还原控制;液膜厚度的减小使其阴极过程和阳极过程都受到抑制,对阳极过程影响很大.氧气的存在对阳极过程的影响很大,并使得纯镁表面易于生成表面膜,表面膜更加连续和致密.

利用电化学方法研究纯镁在薄液膜下的腐蚀行为Ⅱ-薄液膜对纯镁腐蚀阳极过程的影响

利用电化学噪声研究了纯镁在不同厚度薄液膜下的腐蚀行为.结果表明:与本体溶液相比,薄液膜对纯镁腐蚀的阳极过程有使点蚀的孕育速度减缓作用的同时还有使点蚀生长的概率增加的作用;薄液膜下纯镁表面产生的亚稳态点蚀生长成稳态点蚀的概率比本体溶液下的大.点蚀孕育速度比点蚀生长概率对阳极过程的影响更大;这导致了薄液膜下纯镁腐蚀的阳极过程减缓.

碳钢在NaCl薄液膜下的电化学腐蚀行为

在自建大气腐蚀薄液膜电化学测试装置上,采用极化曲线及电化学阻抗谱研究了碳钢在NaCl薄液膜下的腐蚀电化学特征。结果表明,液膜厚度较大时,氧扩散困难,腐蚀速率较慢;随着液膜厚度的减小,氧和腐蚀产物的扩散都相对容易,腐蚀速率增加。液膜厚度为350μm时,腐蚀电流密度和极限扩散电流密度最大,腐蚀速率最大。液膜厚度继续减薄,阳极过程受到抑制,腐蚀速率减小。碳钢在350μm NaCl薄液膜下腐蚀初期阻抗谱由一个高频容抗弧和一个低频扩散阻抗组成,继续腐蚀阻抗谱由一个高频容抗弧和一个低频容抗弧组成,均表现为两个时间常数。由于Cl-的强侵蚀性破坏和疏松多孔的腐蚀产物的生成,Rct不断减小,腐蚀速率增加。

微细通道内蒸发薄液膜区壁面滑移及微流动特性

基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论研究微通道中蒸发薄液膜区固液界面附近流动和传热特性,考虑压力特征、壁面滑移和温度跳跃建立物理模型。利用边界层近似,提出一种计算固液界面吸附微液层热阻的方法,导得固液界面的热阻和温度。数值模拟结果表明,壁面微流动会降低毛细压力梯度,增加壁面热阻,降低液相过热度,恶化液膜铺展和传热性能,在薄液膜区不可忽略。阐明壁面微流动含义,指出滑移系数与吸附流动微液层厚度的关系。

薄液膜去湿特性的研究进展

薄液膜的稳定性与动力学特性是微观尺度下流体力学研究方向的重要分支之一,其应用在化工、航空航天和生物医药等诸多领域,并具有潜在的应用前景。本文逐一对影响薄液膜稳定性的因素进行了详细阐明,分析了Spinodal和异相成核这两种常见去湿过程的内在机理,总结了薄液膜/液滴运动研究中涉及的分离压模型,并对去湿实验中出现的现象和取得的成果进行了分析。根据数值研究的结果,讨论了重力、分子间作用力、滑移尺度、Marangoni效应对液膜去湿过程不同阶段的影响,并对薄液膜稳定性未来的研究方向提出了展望。

NaCl和CO_2对Zn在薄液膜下腐蚀的协同作用

使用石英晶体微天平（ＱＣＭ：ｑｕａｒｔｚ ｃｒｙｓｔａｌ ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）为主要手段研究了在 ８５％ＲＨ相对湿度）和 ＮａＣＩ存在的条件下，金属Ｚｎ在不同ＣＯ２浓度下的大气腐蚀动力学，同时结合 Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）和扫描电镜（ＳＥＭ）研究了Ｚｎ在薄液膜下的大气腐蚀机理，并用扫描电子显微＃（ＳＥＭ）对腐蚀产物进行形貌分析，阐述了腐蚀产物的保护特征．实验结果表明，在薄液膜下，ＮａＣｌ的存在使金属Ｚｎ表面生成一层具有良好保护性的膜，对Ｚｎ的 ＣＯ２大气腐蚀具有缓蚀作用，所以，ＮａＣｌ和ＣＯ２的相互作用对 Ｚｎ的大气腐蚀具有协同效应．

蒸发或冷凝薄液膜的时域稳定性特征

基于Prandtl边界层理论和完整的边界条件,采用Collocation方法,推导出沿倾斜壁面下降的在蒸发、等温和冷凝状态下普遍适用的二维降膜表面波扰动时域稳定性方程。通过研究蒸发或冷凝薄液膜流动的稳定性特征曲线,包括中性稳定性曲线和最快速波的特征曲线,分析了蒸发、等温和冷凝等不同状态下热毛细力、雷诺数、流体物性和壁面倾角对稳定性的影响,并讨论了上述各因素在不同雷诺数下的相对作用。

薄液膜层稳定性分析

本文通过直接对简化的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程进行摄动分析，考虑相变及表面张力梯度，导出了薄液膜层扰动波增长率的表达式，重点分析了表面张力梯度和相变对稳定性的影响。表达式不仅适合双组分也适合单组分，既适合蒸发，也适合凝结。表面张力梯度的影响反映在Ｍａ数中，相变反映在ξ中，本文的结果可从理论上对珠状凝结及双组分的拟珠状凝结等现象进行合理解释。

毛细管内薄液膜轮廓和传热特性研究

本文认为毛细管的相变传热机理为液膜的导热和表面蒸发；表面蒸发受蒸汽温度、汽液界面的温度以及汽液压力差的共同控制。汽液流动机理为流动受脱离压力梯度、毛细力梯度支配。汽液相互作用机理为存在由于蒸发导致的动量转移切应力和由于汽液流速不同产生的摩擦切应力。提出的物理模型中较为全面地考虑了毛细管内传热、汽液流动及其相互作用。对毛细管半径和传热功率对薄液膜轮廓和传热特性影响程度的计算结果表明，随着毛细管半径的减小、传热功率的增大，蒸发界面区的长度会有所减小，这是针对微小空间得出的不同于常规情况的结论。