【摘要】：蒸汽的冷凝和捕集是強(qiáng)化工業(yè)傳熱和緩解干旱地區(qū)缺水的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)關(guān)于水汽冷凝和收集的生物表面以及相應(yīng)的仿生工程表面不斷涌現(xiàn),大量研究者對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分的研究,但是大多針對(duì)液滴在結(jié)構(gòu)表面的宏觀潤(rùn)濕性和運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行研究,對(duì)于最小液滴生成之前的蒸汽分子向壁面的聚集、分布、演化及核化生長(zhǎng)規(guī)律的系統(tǒng)研究,卻比較缺乏。一些研究表明,在凝結(jié)之前,蒸汽分子可能首先在近壁面的氣相中發(fā)生積聚,利用和強(qiáng)化這種積聚現(xiàn)象將為指導(dǎo)工程表面上微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)打開(kāi)新的思路。因此,本文首先研究蒸汽分子沿壁面法向空間中的分布規(guī)律,獲得氣相分子在近壁面空間的演化特性,然后進(jìn)一步分析這種演化特性及多種表面結(jié)構(gòu)影響下的凝結(jié)特性,主要工作如下:利用衰減全反射傅里葉變換紅外光譜技術(shù)和位移平臺(tái),得到過(guò)冷壁面附近薄層內(nèi)各位置處的紅外光譜,發(fā)現(xiàn)飽和濕空氣遇到過(guò)冷壁面凝結(jié)時(shí),蒸汽分子在氣相主體中發(fā)生團(tuán)聚形成團(tuán)簇。分析認(rèn)為最小液滴形成前在氣相中先經(jīng)過(guò)團(tuán)聚的過(guò)渡過(guò)程,團(tuán)簇沉積到過(guò)冷壁面完成相變。水分子團(tuán)簇在靠近壁面的過(guò)程中逐漸增大,并可能趨近于緊密的球形團(tuán)簇形態(tài),在距壁面600um處的團(tuán)簇約包含幾百個(gè)水分子。理論計(jì)算表明,隨著團(tuán)簇尺寸增大,(H_2O)n的伸縮振動(dòng)頻率向低頻演化,這同時(shí)也反映了團(tuán)簇內(nèi)部分子間相互作用和結(jié)構(gòu)的變化。為了進(jìn)一步驗(yàn)證蒸汽分子沿著壁面垂直方向的氣相中的積聚特性和分布規(guī)律,以常用冷凝介質(zhì)乙醇作為研究對(duì)象,進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)。首先通過(guò)分子模擬計(jì)算表明乙醇團(tuán)簇(n=2、3、4、5、6)隨著尺寸增大伸縮振動(dòng)頻率向低頻移動(dòng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了其在過(guò)冷壁面的紅移現(xiàn)象。這說(shuō)明了乙醇存在與水分子凝結(jié)過(guò)程類似的團(tuán)簇演化機(jī)制。但同時(shí)兩種冷凝工質(zhì)團(tuán)簇演化的規(guī)律仍有不同。相比于水分子,乙醇分子上乙基的空間位阻使其較難形成團(tuán)簇,因而造成乙醇團(tuán)簇沿著壁面的分布范圍小于水蒸汽。通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象或許還可預(yù)計(jì)乙醇的氣相傳熱邊界層厚度小于水蒸汽的傳熱邊界層厚度。在上述過(guò)冷壁面附近團(tuán)簇空間分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,探索了近壁面空間中存在的微結(jié)構(gòu)影響凝結(jié)過(guò)程的作用機(jī)制。通過(guò)模型分析可以推測(cè),生物的典型捕水結(jié)構(gòu)強(qiáng)化凝結(jié)的原因可能是親水性微結(jié)構(gòu)使團(tuán)簇附著時(shí)的曲率半徑增大,直接達(dá)到或超過(guò)臨界半徑,從而使團(tuán)簇進(jìn)入高速生長(zhǎng)期,自發(fā)地生長(zhǎng)到宏觀液滴。根據(jù)近壁空間團(tuán)簇分布特點(diǎn),微結(jié)構(gòu)存在一個(gè)最佳高度范圍。這對(duì)目前壁面微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一條新思路。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ021.3;O657.33

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本文編號(hào)：2721240