磁响应聚二甲基硅氧烷阵列表面水滴的定向去除

利用模板赋形和表面修饰方法,制备了具有磁响应性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)柱状阵列(SMPA).该柱状阵列具有超疏水及低黏附特性,在外加磁场作用下表现出可逆弯曲形变,且弯曲程度随外加磁场强度和柱状阵列中磁性粒子含量的增加而增大.在磁场作用下,柱状阵列弯曲能够挤压结构内的水滴,迫使其从表面跳离.研究结果表明,当柱状阵列表面尺寸一致时,与静态结构相比,磁响应动态结构可以实现更小水滴在表面的去除.同时,水滴离开的方向和体积与柱状阵列的结构参数和弯曲角度紧密相关.基于磁场作用,水滴跳离的体积大小和方向可以实现智能调控.

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.

凸起微结构对超疏水表面液滴弹跳强化机理的研究

研究表明冷凝液滴在超疏水表面上合并时可以诱发弹跳,而调控液桥撞击壁面的位置能够强化这一过程。今制备了两种构型的超疏水表面(只包涵纳米结构的平壁超疏水表面以及带有三棱柱凸起结构的超疏水表面),从液滴侧部和底部两个方向协同拍摄了液滴在平壁超疏水表面上合并弹跳动态过程;实验测量了液滴弹离壁面的速度并计算了相应的能量转化率,研究了三棱柱的结构参数对液滴弹跳速度的影响。结果表明,超疏水表面上液滴合并诱导弹跳过程可以分为四个阶段:液桥生长、液桥撞击壁面、液滴底面积收缩及液滴弹离壁面;当液滴在三棱柱凸起结构上方合并时,液滴弹离壁面的速度随着三棱柱长度增加而增大(三棱柱高度不变),且存在一个最大值;当三棱柱长度一定时,液滴弹离壁面的速度亦随着三棱柱的高度增加而增大。

超声波瞬间脱除冷表面冻结液滴的试验研究

试验研究了超声振荡对冷表面冻结液滴的影响。对施加频率20kHz的超声振荡作用下冷平板上冻结液滴的脱除现象进行了可视化研究,记录了超声开启瞬间冻结液滴的脱落过程,分析了超声作用瞬间冷平板内部的温度变化规律,探讨了超声振荡瞬间脱除冻结液滴的机理。试验结果表明,超声作用瞬间冻结液滴脱离冷表面,且伴有弹开现象的发生,同时,平板内部出现温度阶跃。分析认为超声机械作用产生的剪切力以及空化作用产生的冲击力的联合作用是冻结液滴瞬间脱除的主要原因。结果表明,超声振荡能够瞬间脱除冷平板表面作为结霜基底的冻结液滴,是一种有效的除霜方法。

受限微结构对低表面张力液滴合并弹跳的影响

设计并制备了CuO纳米结构和矩形微槽相结合的层级微槽超疏水表面,采用去离子水、质量分数为8%和16%的乙醇溶液为工质,研究了三种表面张力的单个液滴在微槽内的受限生长特征以及槽内变形液滴与槽外正常液滴的合并弹跳行为,探讨了受限微结构对较低表面张力液滴合并弹跳的影响。结果表明,在Laplace压力差的驱动下,微槽内受限变形的水滴发生自弹跳行为,随着溶液中乙醇浓度的提升,液体表面张力减小,表面对液滴的吸附增强,乙醇质量分数为8%和16%的槽内变形液滴不发生自弹跳,而是爬升并悬浮于微槽上方。受限微结构对液滴合并弹跳的强化作用随液体表面张力的减小而减弱,与去离子水相比,乙醇质量分数为8%和16%的受限变形液滴与槽外正常液滴的合并弹跳速度分别降低了26.7%和75.9%,能量转化效率分别降低了17.8%和90%。

V型槽棱角对液滴弹跳强化机理的研究

超疏水表面上的液滴合并诱导弹跳现象在冷凝传热、除霜防冰、自清洁等领域具有广阔应用前景.先前研究表明,液滴弹跳速度遵循毛细-惯性标度定律,无量纲弹跳速度vj*≤0.23,自弹跳过程效率低下,能量转化率η≤4%.为研究微尺度表面结构对液滴弹跳的影响,突破跳跃速度限制并诱导液滴扫掠,提高液滴清除效率,设计制备了棱角β=135°和β=90°的V型槽超疏水表面.利用高速显微技术记录了两种V型槽表面上液滴聚合过程中的形态演化.实验结果表明,两种V型槽表面都突破了平壁表面的毛细-惯性标度定律,无量纲最大弹跳速度分别为vj*=0.51和vj*=0.61,跳跃方向与表面法线最大夹角分别为36°和60°.与β=135°相比,β=90°的V型槽具有更高的面内速度,有利于提高液滴扫掠效率,清除更多凝结液滴.使用格子玻耳兹曼方法数值模拟合并液滴动力学,包括合并期间液滴速度和基底驱动力的演变,以及液滴内部压力分布和瞬时速度矢量.此外,利用仿真数据计算液滴合并过程中的不同方向液体动量,以及液滴总动能、弹跳动能和振荡动能.仿真结果表明,V型槽的β=90°槽角诱导液滴在收缩过程中的两侧液体回流方向,从几乎相向改变为趋近合并液滴弹跳的同一方向.β=90°槽角抑制了水平方向的液滴振荡,降低了黏性耗散,使更多过剩表面能转化为弹跳动能.

波浪结构超疏水表面对液滴聚并弹跳的影响

液滴自发聚并在自然和工业中广泛存在,如何高效去除聚并液滴是强化滴状冷凝换热、防结冰等的重要环节。采用数值模拟方法研究了不同半径比液滴在超疏水平壁面和超疏水波浪形壁面上的聚并起跳行为。研究发现,在平壁面上聚并的液滴水平速度与竖直速度差1~2个数量级,液滴的水平方向位移小,聚并后难以有效去除;在波浪形壁面上,由于液桥撞击在斜面上,产生较大的水平分力,聚并后其水平速度保持与竖直速度在同一数量级,水平位移显著增大;并且波浪结构对液滴弹跳过程影响显著,随波浪高宽比的增大液滴水平位移增大且弹跳高度减小,有效促进了液滴的水平运动,且当高宽比为0.21时,促进作用接近峰值。研究结果为聚并液滴的有效去除提供了新参考。

物性参数对液滴的聚并自弹跳的影响及其关联分析

超疏水表面上液滴因聚并诱导而引起的自弹跳行为具有巨大的潜在应用价值,因此有关问题引起了广泛关注.目前液滴的物性参数对其自弹跳特性的影响却鲜有报道.本文数值模拟了不同的液体物性参数下液滴的聚并自弹跳行为,并利用灰色关联法研究了物性参数变化分别与液滴跳起时的真实弹跳速度及液滴和表面的真实接触时间的关联程度.在无量纲的时间条件下,液滴的聚并自弹跳的动力学特性仅受Oh数的影响.在真实的时间条件下,黏度变化与液滴聚并所需的真实时间无关,而减小密度比会同时减少聚并过程和跳起过程中所需的真实时间.无量纲的弹跳速度随着Oh数的增大而减小,而减小黏度和密度都会增加液滴跳起时的真实弹跳速度.根据灰色关联度的计算结果可知,黏度的变化与真实弹跳速度的关联性更高,密度的变化与真实接触时间关联性更高.

电动汽车热泵系统超疏水换热器抑制结霜性能研究

针对电动汽车冬季制热能耗高,影响续航里程的问题,研究了表面浸润性对电动汽车热泵系统换热器结霜性能的影响。通过对超疏水表面冷凝、结霜过程的微尺度定量表征,发现超疏水表面液体合并自弹跳现象是抑制结霜的重要因素,为了在全尺寸换热器上实现抑制结霜效果,利用水热法及低表面能处理方法对换热器进行了超疏水处理,并进行了制热工况结霜试验,结果显示,与未作处理的原始换热器相比,超疏水换热器结霜时间延长70%以上,单位时间内化霜次数减少40%以上。

明渠自掺气水流掺气浓度分布研究

本文利用明渠水流垂向脉动流速正态分布假设,从水滴自由跃移及撞击分析出发导出跃移区水团浓度分布函数。同时,利用悬移区气泡扩散理论,修正了界面处的应力关系、推求出悬移区气泡浓度分布函数。分布函数在界面处具有一阶连续导数,并且由此可以求出界面浓度C_T。经与实验资料率定,给出了各参数的经验关系。并与室内试验实测浓度分布吻合良好。

Numerical simulation of ski-jump jet motion using lattice Boltzmann method

Based on the lattice Boltzmann method,a lattice Boltzmann(LB) model of the ski-jump jet two-phase flow is developed first and the corresponding boundary conditions are studied.A simple case study of a droplet horizontal movement calculation is carried out to test and verify the model,where level set method is used to track and reconstruct the moving droplet free surface. Then,we numerically simulate a two dimensional flow field of the ski-jump jet with the LB model,derive the moving surface and velocity vector field of the jet flow.The simulation results are very consistent with the physical mechanisms.The effectiveness and reliability of the model are demonstrated by the numerical examples.

双槽道结构对超疏水表面液滴合并弹跳的影响

超疏水表面上的液滴弹跳现象在芯片高效散热、防腐蚀、结冰等领域具有较高的应用价值。为研究双槽道对液滴弹跳性能的影响,设计并制备了由双V槽道构成的W型槽道超疏水表面,试验研究了W型槽道底部间距w、槽道深度h对液滴弹跳速度及能量转化效率的影响,采用数值模拟方式研究了W型槽道的超疏水表面液滴合并弹跳过程中表面能的演化。结果表明,槽宽为0.9 mm的W型槽道所适配的液滴半径为0.5~0.9 mm,此范围内槽道深度h为0.5~0.8 mm、槽道底部间距w为0.5~0.8 mm时对提升液滴合并弹跳的效果更显著;随着液滴半径减小、槽道深度增加、槽道底部间距减小,液滴的合并弹跳速度增加;槽道参数在0.5~0.7 mm内同时增加时,弹跳速度增加,而在0.8 mm时降低。研究结果可为冷凝换热和防腐蚀等领域的表面设计提供参考。

纳米结构表面上部分润湿液滴合并诱导弹跳的理论研究

部分润湿液滴是适宜纳米结构表面上滴状冷凝传热的主要载体,研究纳米结构参数与部分润湿液滴合并弹跳之间的关系有重要意义,本文依据冷凝液滴生长过程中能量增加最小的原理来判断其是否为部分润湿状态,并根据液滴合并前后的体积和界面自由能守恒,确定了合并液滴的初始形状,进而对合并液滴变形过程的动力学方程进行了求解,结果表明:部分润湿冷凝液滴仅在纳米柱具有一定高度、直径间距比较大的表面上形成,而当纳米柱高度过低、直径间距比小于0.1时则形成完全润湿的冷凝液滴;液滴合并后能否弹跳与纳米结构参数紧密相关,仅在纳米柱较高、直径间距比适宜的表面上,部分润湿液滴合并后才能诱发弹跳;液滴尺度及待合并液滴间的尺度比对合并弹跳也有重要影响;多个部分润湿液滴合并后由于具有更多的过剩界面自由能而比两个液滴合并更容易诱发弹跳,本模型对纳米结构表面上冷凝液滴是否合并诱发弹跳的计算结果与绝大部分实测结果相一致,准确率达到95%。

液滴合并LB模拟及液滴弹跳的理论分析

超疏水表面上液滴合并诱导液滴弹跳对强化含不凝气的蒸气冷凝具有重要的作用,但是,液滴合并诱导液滴弹跳现象的理论分析还不够完善,理论计算结果与实验值相差甚远。本文利用格子Boltzmann多相流模型模拟了液滴合并过程液滴的动态演化以及合并过程中液滴内部的速度场分布,分析了液滴合并过程中释放的表面自由能的分配情况。基于模拟结果,利用能量守恒的方法对超疏水表面液滴合并诱导液滴弹跳高度进行了理论分析,考察了表面黏附功、接触角滞后、空气阻力、液滴合并质心变化消耗的能量以及液滴自身黏性耗散的影响。结果显示理论计算值与实验值吻合良好。

超疏水表面上多液滴合并触发液滴弹跳现象的理论分析

超疏水表面上由冷凝液滴的合并触发的液滴弹跳现象在自清洁、强化传热、防结霜等工程领域均有广阔的应用前景。本文建立了一个能量模型以分析多液滴合并触发的液滴弹跳现象。依据本文模型,在液滴弹跳过程中,涉及到表面能、黏性耗散、重力势能、阻滞功、振动动能和平动动能等能量形式的变化及转换,当有更多的表面能转化为平动动能时,液滴弹跳速度会更快。结果表明,多液滴合并能够释放更多的表面能,分布更集中的液滴之间的合并有利于获得更多的平动动能,使液滴弹跳速度更大。此外,存在最小的临界液滴半径和半径比,小于该半径或半径比时,不会发生液滴弹跳。随合并液滴数量的增加,该最小的临界液滴半径和半径比均减小。

双液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的LBM模拟

基于格子Boltzmann方法,对液滴在具有润湿梯度的斜面顶端融合弹跳的过程进行模拟。研究润湿梯度、斜面顶端润湿性、液滴尺寸和Bond数对液滴融合弹跳过程的影响。计算结果表明:在较疏水的润湿梯度斜面上,两个液滴在非平衡张力作用下融合后能够发生弹跳行为;液滴融合速度和跳跃高度最大值均随着润湿梯度的增大而增加;随着斜面顶端润湿性的增大,液滴跳跃高度最大值减小;存在一个最佳液滴尺寸,使得跳跃高度最大值最优。Bond数越大,液滴跳跃高度最大值越小。

液滴聚并自弹跳的数值模拟研究:基于改进的VOF方法

超疏水表面上液滴的聚并自弹跳行为因其巨大的工程应用价值而备受关注。当前,数值模拟已经成为了研究液滴自弹跳特性的重要工具,开源免费的OpenFOAM软件包中使用流体体积法的多相流求解器interFoam已被广泛用于模拟液滴的自弹跳行为。但是该方法在处理毛细流问题中还存有许多不足之处。基于此,本文选用了以interFoam为基础的新多相流求解器SMICFoam。该新求解器使用新的光滑界面压缩格式(Smooth interface compression)对VOF方法进行了改进,已被成功应用于降膜、圆形水跃和液滴自弹跳的相关研究中。对比interFoam和新求解器的计算结果可知,由于前者在计算接触角和三相接触线时不够准确存在滞后性,导致过剩表面能过大,动能过小,对应的能量转换效率较低。

超疏水表面弹跳凝结液滴尺寸分布模拟

液滴尺寸分布是冷凝换热的关键参数。对超疏水表面上液滴尺寸分布的研究,有助于理解弹跳凝结换热机理,以及优化超疏水表面的结构设计。考虑弹跳冷凝液滴成核、生长、合并和脱落过程,本文对超疏水表面上的液滴弹跳凝结过程进行了数值模拟研究。在本研究的数值模拟方法中,液滴弹跳判据基于实验拟合动能转换系数,从而扩大了模型算法的应用范围。相比于理论模型,本文的数值模拟结果与实验结果更加吻合。结果展示了凝结核初始位置分布与凝结核密度对尺寸分布的影响,以及凝结核密度同液滴平均数密度之间的关系。

微纳米结构超疏水表面低浓度乙醇液滴的合并弹跳

本文以去离子水、质量分数为8%和16%的低浓度乙醇溶液为工质,研究了液体表面张力对液滴在平超疏水和层级微槽超疏水表面合并弹跳的影响,揭示液体表面张力变化引起液滴合并过程中与表面结构相互作用的改变,为实现低表面张力工质的动力学行为调控研究提供前期探索。研究发现,在平超疏水表面,质量分数为8%和16%的乙醇液滴合并弹跳过程由惯性效应主导,合并弹跳速度遵循惯性毛细定律,无量纲速度为0.23~0.27,能量转化效率为5.6%~6%。液体表面张力的减小导致平超疏水表面液滴合并弹跳速度的减小,并未影响液滴合并过程中内部动量的传递机制。在层级微槽超疏水表面,槽道边缘增强的黏附作用改变了乙醇液滴合并过程的形态演变,影响了其内部动量的传递,导致液滴合并弹跳速度和能量转化效率降低。随着液体表面张力的减小,液滴间凸台结构对合并弹跳性能的强化作用减弱,而凹槽结构对合并弹跳性能的恶化作用增强。