【摘要】：超疏水表面由于其具有的減阻性、自清潔性等優(yōu)點(diǎn),在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用前景。液滴與表面的作用一直是人們研究的重點(diǎn),本文搭建了液滴從不同高度落下撞擊超疏水表面的實(shí)驗(yàn)臺,產(chǎn)生的液滴直徑為2~3mm,下落高度為1~20cm,利用高速CCD相機(jī)成功采集到了撞擊過程的圖像,并用Matlab對采集的圖像進(jìn)行處理。觀察到了液滴在超疏水表面的兩種典型的動(dòng)力學(xué)行為,即低速撞擊的反彈行為和高速撞擊的破碎行為(伴隨著液橋的斷裂和衛(wèi)星液滴的形成),并對兩種行為產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了一定的解釋。定量分析了液滴的低速反彈行為,將之分為兩個(gè)階段:與超疏水表面的接觸階段以及彈起階段。對于接觸階段,發(fā)現(xiàn)液滴最大鋪展系數(shù)隨撞擊速度的增大而增大,達(dá)到最大鋪展系數(shù)所需要的時(shí)間隨撞擊速度的增大先減小后增大;對于彈起階段,隨著撞擊速度的增大,液滴的最大彈起高度先增大后減小,液滴的恢復(fù)系數(shù)隨之減小,此外對最大鋪展系數(shù)與Re、We的關(guān)系式進(jìn)行了推導(dǎo)。超疏水表面的微結(jié)構(gòu)形貌又影響其表面流體的流動(dòng)特性,本文采用商業(yè)軟件FLUENT對不同微結(jié)構(gòu)的超疏水表面在層流下的流場特性進(jìn)行模擬,分析了微形貌類型、流動(dòng)速度、微結(jié)構(gòu)尺寸對減阻率、滑移速度、滑移長度等的影響規(guī)律。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),圓柱狀微凸起間和圓柱狀微凹坑內(nèi)部都儲(chǔ)存有空氣,在氣液界面上流體速度不為零,有明顯的速度滑移。微形貌類型對減阻率有明顯的影響,圓柱狀微凸起超疏水表面的減阻效果要優(yōu)于圓柱狀微凹坑超疏水表面,前者最大的減阻率達(dá)到了24%�；崎L度與自由剪切面積比、形貌周期長度符合一定的理論公式。本文還利用Micro-PIV方法對梯形截面超疏水和超親水微通道在流量為4.5μL/min時(shí)的速度場進(jìn)行了觀測。發(fā)現(xiàn)超親水微通道的速度曲線較超疏水微通道的速度曲線更加上凸,即流場中的最大流速比超疏水微通道內(nèi)大。另外在左右近壁面處,速度曲線出現(xiàn)上揚(yáng),即由于壁面傾斜只有單側(cè)有熒光粒子,導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測得的速度不準(zhǔn)偏大。此外,對實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步的調(diào)試和改進(jìn)也提出了幾點(diǎn)想法。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U674.70
【圖文】：

我國的艦船潛艇必須具備遠(yuǎn)海、深海作戰(zhàn)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)表明，對于水面艦船，流體下潛艇這一數(shù)值則高達(dá) 70%。研究表明若流體航速條件下，航程可增加 11.1%，所以減阻對艦學(xué)家 Wilhelm 和 Barthlott[1, 2]通過一系列實(shí)驗(yàn)，，揭示了荷葉表面的奧秘。他們發(fā)現(xiàn)荷葉表面是由于這些微納結(jié)構(gòu)使荷葉表面在常態(tài)下形成，使得雨水、灰塵等與荷葉接觸時(shí)大部分都隔滴無法完全滲透到荷葉表面，灰塵與荷葉之間自清潔的效果，如圖 1-1 所示。至此以后越來[3, 4]在實(shí)際中的應(yīng)用，材料的疏水性是指表面其表面自由能對疏水性起決定性作用。

的潤濕行為般采用接觸角 來表征，通常將 < 90 的表面稱為水性表面，其中 > 150 的表面稱為超疏水表面。束縛，因此其與壁面的接觸面積很小，鋪展半徑想表面，其接觸角滿足 Young[11]方程：0 SG SL LGcos ( )/ -固界面的表面張力系數(shù)，SL 表示液-固界面的表面面張力系數(shù)，0 為理想壁面的本征接觸角，如圖 接觸角只與固、液、氣三相兩兩之間的表面張力體壁面的表面能，因此固體壁面的表面能對其潤

糙度的增加而增加，即粗糙結(jié)構(gòu)會(huì)讓疏水表面更疏水。enzel 模型中默認(rèn)液體會(huì)進(jìn)入到表面微結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而有些實(shí)一部分空氣托住液體，Cassie[13]提出了這種接觸模式下表C 0cos f(1 cos ) 1復(fù)合接觸面上的固液界面分?jǐn)?shù)，很明顯f <1。當(dāng)0 >90 ，C 是逐漸增大的，也就是說對于疏水表面，降低復(fù)合接觸面加疏水，這為超疏水表面的制備提供了指導(dǎo)。從 Cassie 模表面粗糙度對一般粗糙的固體壁面潤濕性有著重要影響，模式如圖 1-3 所示。因此要想獲得超疏水表面必須具備兩面能的材料構(gòu)成；2.固體壁面有一定的粗糙度。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

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本文編號：2758465