冷凝相變傳熱作為自然界中一種普遍存在的現(xiàn)象,在發(fā)電、熱管理、海水淡化、環(huán)境控制等領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用。而增強(qiáng)冷凝過程中的熱量運(yùn)輸及提高冷凝傳熱效率也日益成為人們科學(xué)研究的焦點(diǎn)。相比膜狀冷凝,滴狀冷凝是一種更為有效的傳熱模式,因?yàn)殡x散的冷凝液滴相比連續(xù)液膜有明顯更低的熱阻,并且可釋放更多的位點(diǎn)用于更多頻次的冷凝成核、生長、融合及驅(qū)離,而通過材料表面疏水化改性將進(jìn)一步強(qiáng)化材料的滴狀冷凝傳熱性能,提高熱量利用率。本文以此為切入點(diǎn),在銅基表面構(gòu)筑了氧化鋅(ZnO)納米鉛筆結(jié)構(gòu)及優(yōu)化后的氧化鋅納米針錐結(jié)構(gòu),在經(jīng)低表面能物質(zhì)修飾后對樣品表面微液滴的冷凝動態(tài)行為及界面現(xiàn)象進(jìn)行了定量統(tǒng)計(jì)及定性分析。進(jìn)一步地對其滴狀冷凝傳熱性能進(jìn)行測試,并對其實(shí)現(xiàn)高效冷凝傳熱的機(jī)理進(jìn)行了簡要分析。該研究對于理解納米結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與冷凝傳熱性能的構(gòu)效關(guān)系具有十分重要的意義,同時(shí)為設(shè)計(jì)開發(fā)高性能傳熱納米界面材料及先進(jìn)熱控器件以實(shí)現(xiàn)高效的能源利用提供了條件。本論文主要研究內(nèi)容如下:(1)采用直接化學(xué)浴方法實(shí)現(xiàn)了銅基表面密排列的ZnO納米鉛筆結(jié)構(gòu)的原位構(gòu)筑,經(jīng)過低表面能化學(xué)修飾后,納米結(jié)構(gòu)表面展現(xiàn)出很好的超疏水性及冷凝微滴自驅(qū)離性能。結(jié)合高速高分辨率三維顯微成像儀的觀察,系統(tǒng)地比較了冷凝微液滴在超疏水納米表面和疏水光滑表面的動態(tài)行為及驅(qū)離模式。并進(jìn)一步證實(shí):相對于疏水光滑樣品,納米結(jié)構(gòu)樣品明顯提升了表面微液滴更新速率且能長時(shí)間保持表面微液滴高密度成核及高效自驅(qū)離。而冷凝傳熱測試表明,該納米鉛筆結(jié)構(gòu)陣列可實(shí)現(xiàn)高效滴狀冷凝傳熱,并初步揭示了納米結(jié)構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)高效傳熱的相關(guān)機(jī)制。(2)進(jìn)一步優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)了銅基表面超薄準(zhǔn)直密堆積的非粘ZnO納米針錐的可控制備,通過高速高分辨率三維顯微成像儀的觀察并結(jié)合詳細(xì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析,系統(tǒng)地研究了冷凝微液滴在該納米結(jié)構(gòu)表面的動態(tài)行為及相關(guān)細(xì)節(jié),闡明了超疏水納米結(jié)構(gòu)表面小尺度微液滴自驅(qū)離的機(jī)制,并給出超疏水納米結(jié)構(gòu)表面設(shè)計(jì)的基本規(guī)律。在冷凝傳熱測試中結(jié)合其高效傳熱性能等研究了納米針錐結(jié)構(gòu)表面在負(fù)壓工況下小尺度微液滴自驅(qū)離相關(guān)行為特征。最后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合理論模型對幾種不同形貌的納米結(jié)構(gòu)的冷凝行為及傳熱性能變化進(jìn)行了比較分析,總結(jié)出納米結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)對冷凝傳熱性能影響的相關(guān)規(guī)律。
【學(xué)位單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TQ132.41;TB383.1
【部分圖文】：

傳熱研究意義國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著世界人口的急劇增長將會越來越大。其中冷凝相變傳熱是一種普遍存在的、熱管理、海水淡化、環(huán)境控制等[1-7]生產(chǎn)與生活中及有效利用也起著至關(guān)重要的作用，因而如何提高冷為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。同時(shí)，如何去實(shí)現(xiàn)對冷凝相材料表面抗凝露、抗結(jié)霜以及材料表面在濕冷條件下分重要的意義。例如，提高熱電換熱設(shè)備或者水冷核用率、裝置運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要手段，而通過究而進(jìn)一步調(diào)控冷凝相變的行為，是實(shí)現(xiàn)提高效率和，通過對冷凝相變過程的調(diào)控，進(jìn)而去控制材料表面面滋生霉菌、抗金屬表面腐蝕和降低水橋熱阻導(dǎo)致的義。此外，提高冷凝相變產(chǎn)物的移除效率，對提高海應(yīng)用產(chǎn)能也具有重要意義（圖 1.1）。a)b)

冷凝活性成核區(qū)域的減少，這會直接影響到熱量的傳遞凝液的尺度會逐漸增加。通過研究微觀尺度（例如微米處的生長和分布行為，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷凝液的移除，對于減決常見的凝露、結(jié)霜、水汽凝結(jié)中伴隨的表面滋生細(xì)菌，成為許多領(lǐng)域基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的重點(diǎn)。因此，如何減冷凝液的移除而更新冷凝活性成核區(qū)域，對于提高冷凝備損耗等方面至關(guān)重要，也是現(xiàn)在提高冷凝相變傳熱效研究熱點(diǎn)[2-7]。目前水蒸汽冷凝是最常見的冷凝方式，（圖 1.2）。對于工業(yè)常見的膜狀冷凝，其特點(diǎn)是冷凝濕器壁表面。由于冷凝壁面上會一直覆蓋一層液膜，致到阻力，導(dǎo)致傳熱效率很低。而對于滴狀冷凝，若冷凝液滴形態(tài)附著于壁面上。當(dāng)增長到一定尺寸后，液滴會的空白區(qū)域，可供繼續(xù)冷凝，并周期性的開始更多頻，因此其傳熱效率比膜狀冷凝有了很大提升[12-13]。如果的滴狀冷凝，將會大大減少相關(guān)傳熱設(shè)備的尺寸，降低和經(jīng)濟(jì)效益。

我們知道在現(xiàn)實(shí)生活中的固體表面并不是像揚(yáng)氏方程式的理想狀態(tài)，而是表面都存在著一定的粗糙度，1936年Wenzel等人通過引入表面結(jié)構(gòu)對浸潤性的影響，提出了假設(shè)液滴接觸固體表面后，液體完全浸潤到固體表面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的模型（圖1.3b），并利用粗糙因子修正了揚(yáng)氏接觸角，修正值被稱作表觀接觸角（θ*）[24]。而隨著研究的進(jìn)展，1944年Cassie和Baxter等人[25]又?jǐn)U展了前人的理論，提出了基于液體完全不浸潤固體表面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的固-氣混合相的模型，這種模型更接近真實(shí)固體表面。他們假設(shè)液體沒有進(jìn)入固體表面的粗糙結(jié)構(gòu)中，而是懸浮在粗糙結(jié)構(gòu)之上，如圖1.3(c)所示。一部分空氣或者部分空氣層被包裹在液體與固體表面之間，從而在液體下方形成了一個(gè)由固-液和液-氣兩種界面共同組成的復(fù)合的固液界面[26]。Cassie模型可以很好解釋表面自清潔等超疏水性界面現(xiàn)象
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本文編號：2892414