本文關(guān)鍵詞：銅基微納結(jié)構(gòu)表面液滴鋪展及流動(dòng)沸騰換熱特性研究

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【摘要】：微納結(jié)構(gòu)熱功能表面是一種強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)的特殊功能表面。利用各種表面加工技術(shù)獲得的特定的微納結(jié)構(gòu),也會(huì)對(duì)表面的潤(rùn)濕性產(chǎn)生重要影響。本文利用激光燒蝕和氧化還原相結(jié)合的方式,制備了具有微納結(jié)構(gòu)的超親水表面,應(yīng)用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對(duì)比研究了液滴撞擊光滑表面和微納超親水表面的形態(tài)變化過(guò)程及液滴內(nèi)部流場(chǎng)變化,并利用自行搭建的過(guò)冷流動(dòng)沸騰試驗(yàn)臺(tái)研究了微納結(jié)構(gòu)和表面潤(rùn)濕性對(duì)沸騰換熱性能的影響。首先選取紫銅為基體材料,采用不同目數(shù)的砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨、金相試樣拋光機(jī)結(jié)合金剛石研磨膏拋光表面,制備了具有鏡面效果的光滑表面試驗(yàn)樣件,其表面接觸角為65°。采用激光燒蝕方法獲得了接觸角為19°的微結(jié)構(gòu)表面,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用氧化還原反應(yīng)得到了微納結(jié)構(gòu)超親水表面,并利用Wenzel模型對(duì)其超親水特性進(jìn)行了分析。采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)分別從俯視和側(cè)視兩個(gè)角度,記錄了不同We數(shù)下,液滴撞擊光滑表面和微納結(jié)構(gòu)表面的鋪展過(guò)程中的形態(tài)演變過(guò)程,并利用L9(21×33)混合正交試驗(yàn)分析了不同微納結(jié)構(gòu)對(duì)表面鋪展特性的影響。研究結(jié)果表明:液滴撞擊光滑表面和微納結(jié)構(gòu)表面表現(xiàn)出不同的形態(tài)及鋪展特性。液滴撞擊光滑表面后快速鋪展,其三相接觸線在達(dá)到最大直徑后開(kāi)始回縮,在回縮過(guò)程中液滴出現(xiàn)明顯的振蕩松弛過(guò)程,經(jīng)較多次振蕩回縮后液滴以球冠狀保持穩(wěn)定狀態(tài)。液滴撞擊微納結(jié)構(gòu)超親水表面后三相接觸線持續(xù)向外鋪展,而只有中心位置的液體會(huì)在表面張力的作用下發(fā)生極少次的回縮振蕩。在鋪展初期,低We數(shù)下,光滑表面的液滴鋪展直徑大于微納結(jié)構(gòu)表面,而高We數(shù)下,微納結(jié)構(gòu)表面的液滴鋪展直徑一直大于光滑表面。對(duì)9個(gè)表面的鋪展性能進(jìn)行極差分析發(fā)現(xiàn),影響表面鋪展性能的主次因素依次為:微結(jié)構(gòu)形狀、氧化還原反應(yīng)時(shí)間、微結(jié)構(gòu)尺寸、微結(jié)構(gòu)間距�；赩OF方法,對(duì)液滴撞擊光滑表面和微納結(jié)構(gòu)表面的形變、氣液界面的速度分布、中心截面的輪廓形變過(guò)程以及不同截面內(nèi)的速度分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。液滴撞擊表面后最大速度出現(xiàn)在中心位置液體與液膜連接處,且速度從此處沿徑向逐漸減小。液滴在微納結(jié)構(gòu)表面的鋪展速度大于在光滑表面的鋪展速度。在微納結(jié)構(gòu)表面由于微方柱的矩形陣列,液滴在鋪展過(guò)程中呈現(xiàn)出與光滑表面不同的形狀變化。液滴撞擊微納結(jié)構(gòu)表面不同截面的速度分布沒(méi)有表現(xiàn)出明顯差異,其原因是由于微結(jié)構(gòu)的高度太小,所以在垂直方向沒(méi)有對(duì)速度場(chǎng)產(chǎn)生明顯影響。采用自行搭建的過(guò)冷流動(dòng)沸騰試驗(yàn)臺(tái)對(duì)9個(gè)表面進(jìn)行了強(qiáng)化換熱性能研究,并應(yīng)用極差分析得出了影響強(qiáng)化換熱性能的主次因素和最優(yōu)組合。結(jié)果表明:9個(gè)微納結(jié)構(gòu)表面的換熱性能都優(yōu)于光滑表面。在四個(gè)因素中,微結(jié)構(gòu)的形狀對(duì)強(qiáng)化沸騰換熱的影響最大,其次為微結(jié)構(gòu)尺寸、微結(jié)構(gòu)間距以及氧化還原反應(yīng)時(shí)間。微納結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化沸騰換熱的原因可表述為:微納結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了表面的換熱面積;微納結(jié)構(gòu)表面相比光滑表面氣泡的成核密度減小,脫離直徑也減小,但氣泡的脫離頻率較高。9個(gè)微納結(jié)構(gòu)表面相比光滑表面呈現(xiàn)出更加親水的特性,說(shuō)明在本文所設(shè)工況下,表面潤(rùn)濕性的增加對(duì)表面的沸騰換熱性能起到強(qiáng)化作用。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB306

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1282754