相对湿度对固体冷表面上液滴凝结过程规律影响的研究

通过可视化的实验设备观察四氟乙烯平板冷表面上的液滴凝结过程,探究在固定过冷度情况下不同相对湿度对冷表面上液滴凝结过程中液滴大小、液滴数量多少的影响情况。实验结果表明:高相对湿度的条件下可使液滴凝结更容易发生,并且相对湿度从50%变化到90%的过程中,凝结时间的降幅达到了60%左右,通过液滴直径与凝结时间的拟合的相关性发现,凝结速率与相对湿度呈现出正相关性,提升了4倍左右;高相对湿度下液滴数量的峰值最先出现,且液滴面积覆盖率随湿度的增加而呈现出递减趋势。

特殊浸润性表面的液滴凝结

以铝片为基底,经电化学腐蚀和沸水处理制备了多级微纳米结构;通过气相沉积和涂油分别制备了超疏水表面、疏水超润滑(slippery)表面和亲水slippery表面;探究了表面不同的特殊浸润性(超亲水、超疏水、疏水slippery和亲水slippery)对液滴凝结的影响.结果表明,超亲水表面的液滴凝结属于膜状冷凝,超疏水表面和slippery表面的液滴凝结均属于滴状冷凝.超疏水表面液滴合并时,合并的液滴会不定向弹离表面.疏水slippery表面和亲水slippery表面由于表面浸润性的不同导致液滴成核密度和液滴合并的差异,亲水slippery表面凝结液滴的最大体积远大于疏水slippery表面凝结液滴的最大体积. 4种表面的雾气收集效率由大到小依次为亲水slippery表面>疏水slippery表面>超亲水表面>超疏水表面.

基底硬度对液滴凝结影响的实验研究

对比研究了不同软硬基底上液滴的凝结过程。结果表明:基底越软,液滴增长速度就越快,表面覆盖率也越大。当表面覆盖率趋于稳定后,尺寸较大的液滴的快速融合以及新产生的小液滴数量增长,导致表面覆盖率在较硬的基底上出现多次先下降后上升的振荡现象;而在软基底上,因脊状形变对液滴融合的阻碍,表面覆盖率的振荡次数明显降低。

结霜初期超疏水表面凝结液滴的自跳跃脱落及其对结霜过程的影响

制备了具有微纳复合结构的超疏水表面,对其结霜过程进行了可视化观测,揭示了结霜初期表面凝结液滴的自跳跃行为及其对结霜过程的影响,并与普通表面的结霜过程进行了对比研究.实验结果表明,结霜初期,超疏水表面的凝结液滴频繁出现合并后自跳跃现象,根据液滴合并前的尺寸大小,可将自跳跃行为分为3类,而普通表面未观察到类似现象;液滴自跳跃临界半径随着液固接触面积分数的降低和表面接触角的增大而减小.初始凝结液滴的自跳跃降低了超疏水表面液滴覆盖率和分布密度,同时引起表面霜层生长的不均匀性和霜晶结构的差异.与普通表面相比,超疏水表面可有效抑制结霜,延缓霜层生长速率.

结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性

研究结霜前期水蒸气在超疏水表面的凝结-冻结特性,有利于揭示超疏水表面的抑霜机理以及加深对结霜过程的认知。利用溶液刻蚀-沸水法制备了具有纳米结构的铝基表面,水滴与其形成的接触角达161.1°。通过微细观可视化观测,揭示结霜前期纳米结构超疏水表面的凝结-冻结特性,并与接触角为86.5°的裸露铝表面进行了对比分析。结果表明,超疏水表面凝结液滴的形状、尺寸和分布密度与裸露表面均存在差异,且液滴的冻结时间和冻结速率也不同。超疏水表面的液滴从17 min开始冻结,直到26 min才全部冻结,而裸露表面的液滴在4 min内就全部冻结。超疏水表面的纳米结构导致其与凝结液滴间的热阻增大,导热过程被削弱,从而抑制了液滴的生长与冻结。

冷表面温度对超疏水翅片结霜特性与抑霜性能的影响

为揭示冷表面温度对超疏水翅片结霜特性与抑霜性能的影响规律,本文搭建了可视化结霜实验系统,并对不同冷表面温度下超疏水翅片的结霜过程进行研究,同时与未经表面处理的裸翅片进行对比。实验结果表明:超疏水翅片表面初始凝结液滴开始冻结、冻结50%和完全冻结的时间均随冷表面温度的降低而缩短;冷表面温度越低,晶核的临界半径越小,晶核越密集,液滴完全冻结时表面覆盖率越高;超疏水翅片和裸翅片表面的霜层厚度随着冷表面温度的降低而增加,结霜45 min后,超疏水翅片在冷表面温度为-5、-10、-15、-20℃时的霜层厚度分别为裸翅片的78.8%、95.6%、94.6%和79.8%,表明超疏水翅片在不同冷表面温度下均具有抑霜效果。

空气源热泵室外蒸发器超疏水抑霜传热性能理论与实验研究

超疏水表面具有优异的抑霜性能,本文制备了接触角为156.7°的超疏水表面。建立可视化实验台,对比不同润湿性一维翅片表面湿空气凝结、液滴冻结与三维翅片管结霜、融霜过程异同。通过建立冷表面湿空气凝结和液滴冻结模型,揭示了超疏水表面在结霜初期的抑霜机理。超疏水表面液滴总热阻约为普通表面的5.94倍,超疏水翅片管较普通翅片管,其结霜量降低了18.9%,化霜效率提升了21.2%。本研究为超疏水技术在换热器尺度上的应用奠定了实验和理论基础。

超疏水翅片表面的抑霜机理和融霜特性

制备了具有微纳复合结构,表面接触角和滚动角分别为159.7°和4.2°的超疏水翅片。通过可视化观测,揭示了超疏水翅片表面的抑霜机理和融霜特性,并与亲水翅片进行了对比。结霜初期,超疏水翅片表面的凝结液滴分布稀疏,呈Cassie状态;亲水翅片表面的凝结液滴分布密集,呈铺展状态,几乎覆盖整个翅片表面。超疏水翅片表面与霜层间实际接触面积小,换热热阻大,使其被霜层覆盖后仍可有效抑制霜层生长。融霜时,超疏水表面的弱黏附性导致霜层整体从翅片表面剥离和脱落,缩短了融霜时间,减少了滞留水量。

基于飞秒激光制备的雾水收集驼峰双面神膜

雾水收集是将气态雾转化为液态水的过程,具有重要的研究价值。控制雾滴的凝结效率是雾水收集的关键因素,主要与基底表面的边界层厚度和有效更新有关。受沙漠甲虫背部结构的启发,基于飞秒激光微纳加工和表面化学修饰在铝箔表面制备了一种具有驼峰结构的双面神膜,可极大提高雾滴的凝结效率。实验结果表明,相比平面双面神膜,驼峰双面神膜的雾水收集效率提高了80%,且能捕获水平方向的雾流,更适应恶劣的自然环境。