液体的莱顿弗罗斯特效应及贝纳德对流试验研究

本文介绍了作者于2015年11月在北京市大学生物理实验竞赛中获得一等奖的实验工作。通过自行设计的实验装置,演示了溶液的莱顿弗罗斯特现象,测量了溶液莱顿弗罗斯特点及其随溶液浓度的变化。当加热板表面有污渍,变得粗糙时,同样的溶液滴到表面,即使温度升高到莱顿弗罗斯特点之上,也不会产生莱顿弗罗斯特效应,说明加热板表面粗糙程度对溶液莱顿弗罗斯特效应有很大影响。当加热板表面光滑时,液滴体积的大小对莱顿弗罗斯特效应没有影响。还演示了连续介质的贝纳德对流现象,用二甲基硅油代替氯化钠溶液,滴到加热器皿里,当硅油层厚度达到一定值,上下表面的温差也达到一个临界值时,观察到贝纳德对流现象,测量了对流现象发生时硅油层的厚度及其上下表面温度差。通过设计并完成整个实验过程,学生系统地认识了液体的莱顿弗罗斯特效应及贝纳德对流,拓展了学生的视野,激发了学习兴趣,锻炼了学生的创新思维和动手能力。创新性实验教学在培养学生科学素养方面起着重要的作用。

纳米结构表面液氮淬火换热特性研究

本文研究了电抛光的光滑表面和阳极氧化的纳米结构表面对液氮淬火换热的影响,实验结果表明纳米结构表面将莱登佛罗斯特点的温度从光滑表面的111.9 K提高到209.6 K,临界热流密度从光滑表面的146.3 kW/m^2提高到纳米结构表面的326.2 kW/m2。在过渡沸腾阶段,纳米结构表面的沸腾换热系数从429.2 W/(m^2·K)增加到5737.2 W/(m^2·K),光滑表面换热系数从518.9 W/(m^2·K)急剧上升到8822.9 W/(m^2·K)。虽然纳米结构表面的最大换热系数小于光滑表面,但纳米结构表面上发生沸腾模式转变的莱登佛罗斯特点的温度远高于光滑表面,因此纳米结构表面的换热能力远大于光滑表面。

热阻层对低温淬火过程的影响研究

通过在铝合金棒表面制备阳极氧化热阻层和Teflon热阻层,分别对电抛光、阳极氧化和涂覆Teflon层等表面在液氮浴中的低温淬火过程进行实验研究,通过对传热反问题求解分析,研究了热阻层对低温淬火过程的影响。结果表明,热阻层能显著提升莱登佛罗斯特点的温度和临界热流密度,使整体的换热能力提高,从而加速了低温冷却过程。

Teflon涂层厚度对液氮流动淬火特性的影响

为进一步研究Teflon涂层厚度对低温流动淬火特性的影响,对316L不锈钢管、Teflon涂层管和Teflon-PTFE塑料管进行了不同流量下的液氮流动淬火实验研究。结果表明,塑料管和涂层管通过提高LFP温度,淬火时间较光管大幅缩短。涂层管和塑料管在不同流量下的LFP温度均有良好的一致性,但由于塑料管热阻较大,阻碍了管壁热量的传递,塑料管的CHF远小于涂层管。因此,涂层管同时具备高LFP温度和高CHF的特点,使其拥有了最高的淬火效率,可大幅减少淬火过程的低温流体消耗量。