【摘要】：近年來(lái),不同潤(rùn)濕性的超親水、超疏水和SLIPS(Slippery liquid-infused porous surface,SLIPS)表面在流動(dòng)及相變換熱領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用,引起了越來(lái)越多的重視,有關(guān)這種具有不同潤(rùn)濕性的表面在傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用的研究還很少。超疏水表面能夠延遲液滴的結(jié)冰時(shí)間,但還需要更多深入的研究。在流動(dòng)減阻方面,超疏水表面能夠起到流動(dòng)減阻的作用,但同時(shí)也能削弱對(duì)流換熱,其綜合熱水力性能值得研究。超親水表面能夠促進(jìn)液體蒸發(fā),提高蒸發(fā)換熱能力,但微納復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)蒸發(fā)換熱的影響機(jī)理還需要深入分析。蒸氣在SLIPS表面的冷凝成核、合并、滑移和清掃過(guò)程有待深入研究,尤其是在具有SLIPS冷凝器和超親水蒸發(fā)器的重力熱管中,潤(rùn)滑油對(duì)SLIPS冷凝器中蒸汽冷凝和蒸發(fā)器中液體蒸發(fā)的作用機(jī)理有待深入研究,到目前為止還沒(méi)有這方面的研究報(bào)道�；诖�,本文從以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作。研究了液滴在鋁基超疏水表面上結(jié)冰延遲的特點(diǎn),和不同溫度下表面自由能的變化情況,分析了表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)形貌、表面自由能和異相成核能障對(duì)冷凝結(jié)冰過(guò)程的影響。鋁基表面經(jīng)過(guò)化學(xué)刻蝕和氟硅烷修飾之后呈現(xiàn)出良好的疏冰性能,其接觸角高達(dá)162.5°,滾動(dòng)角和遲滯角分別為1.9°和1.1°。超疏水表面的表面自由能隨著表面溫度的降低而升高,表面的異相成核能障隨接觸角的增大而增大,超疏水表面在-11.9℃經(jīng)過(guò)1568 s之后才開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象,但是對(duì)于噴砂表面在-6.6℃經(jīng)過(guò)159 s就開(kāi)始出現(xiàn)結(jié)冰,這表明超疏水表面具有優(yōu)越的疏冰性能。研究了不同直徑的超疏水管道內(nèi)的流動(dòng)減阻、換熱和綜合熱水力性能,分析了表面自由能和表面粘附功對(duì)流動(dòng)的影響,本文的研究中超疏水表面的流動(dòng)減阻范圍為8.3%~17.8%,減阻率隨Re的增加而減小,隨管徑的減小而增大,超疏水表面對(duì)減阻的影響隨管道面體比的增大而增強(qiáng)。超疏水管道的摩擦因子小于光滑管道的摩擦因子。由于超疏水表面的微納空氣凹穴抑制了流動(dòng)換熱,所以超疏水管道的換熱系數(shù)低于光滑管道的換熱系數(shù)。所有超疏水管道的綜合熱水力性能都隨Re的增加而減小,直徑為8.0 mm超疏水管道的綜合熱水力性能最佳。SLIPS表面能夠很好的提高冷凝換熱系數(shù),但是SLIPS表面上冷凝液滴表面覆蓋的潤(rùn)滑油膜在液滴滑移脫離之后容易沾染在其它表面上,潤(rùn)滑油的沾染會(huì)嚴(yán)重限制其應(yīng)用,尤其是對(duì)于熱管這種同時(shí)涉及到沸騰/蒸發(fā)和冷凝相變換熱過(guò)程的換熱設(shè)備。潤(rùn)滑油會(huì)輕易的沾染在普通蒸發(fā)器表面上,導(dǎo)致蒸發(fā)器從親水表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷砻�。將超親水表面引入到熱管中,使得蒸發(fā)器具有超疏油的特性,減輕或避免蒸發(fā)器表面由于潤(rùn)滑油的沾染而導(dǎo)致的沸騰/蒸發(fā)惡化。將超親水蒸發(fā)器與SLIPS冷凝器相結(jié)合的新型重力熱管(Two-phase closed thermosyphon with SLIPS condenser and SHi evaporator,TPCT-SHiSL)與其它各種組合形式重力熱管進(jìn)行對(duì)比研究,分析不同冷凝表面的表面自由能、異相成核能障和核化數(shù)密度。在SLIPS表面上液滴很容易核化、合并和滑移,這些過(guò)程使得SLIPS冷凝器的冷凝換熱系數(shù)比其它表面高2.5倍,而超親水蒸發(fā)器能夠很好的防止?jié)櫥偷恼慈?從而最大限度的削弱了潤(rùn)滑油對(duì)沸騰/蒸發(fā)過(guò)程的影響。所有重力熱管組合形式中只有TPCT-SHiSL的熱阻比最小,即(37)_(SHiSL-PP)的變化范圍為0.776~0.964,比其它組合形式重力熱管的換熱性能高28.9%,這表明TPCT-SHiSL這種重力熱管的換熱性能最佳。研究了不同充注率對(duì)超親水蒸發(fā)器和SLIPS冷凝器這種組合形式重力熱管的換熱過(guò)程的影響機(jī)理。TPCT-SHiS的超親水蒸發(fā)器的換熱系數(shù)的變化趨勢(shì)類(lèi)似于TPCT-PP的普通蒸發(fā)器的換熱系數(shù)變化趨勢(shì)。當(dāng)充注率為40%和70%在低熱流密度時(shí)以及充注率為25%時(shí),在TPCT-SHiSL的超親水蒸發(fā)器中液膜蒸發(fā)換熱起主導(dǎo)作用,其它情況下池沸騰換熱起主導(dǎo)作用。蒸發(fā)換熱隨著熱流密度的升高而減弱,在較高熱流密度時(shí)池沸騰換熱起主導(dǎo)作用。當(dāng)充注率為98%時(shí),TPCT-SHiSL的超親水蒸發(fā)器中池沸騰換起主導(dǎo)作用。對(duì)于TPCT-SHiSL,隨著充注率的升高,水很容易被攜帶進(jìn)入到冷凝器中,抑制冷凝液滴從壁面滑落,導(dǎo)致SLIPS冷凝器的冷凝換熱能力下降。(37)_(25%/40%)、(37)_(70%/40%)和(37)_(98%/40%)的平均值分別為0.823、1.010和1.104,相較于其它充注率雖然TPCT-SHiSL的充注率為25%時(shí)總熱阻最小,但是隨熱流密度稍微增加其總熱阻就會(huì)急劇增大。在所有充注率下,重力熱管的蒸發(fā)熱阻都大于冷凝熱阻。綜合考慮TPCT-SHiSL的總熱阻和換熱能力,這種重力熱管的最佳充注率為40%。為了降低蒸發(fā)熱阻,增強(qiáng)蒸發(fā)換熱能力,研究了超親水泡沫銅的液膜蒸發(fā)機(jī)理,蒸發(fā)液膜厚度隨熱流密度的增加而減小,沿高度方向蒸發(fā)液膜的厚度逐漸減薄。液膜內(nèi)的速度處于低速層流狀態(tài),速度對(duì)對(duì)流換熱的影響可以忽略,超親水泡沫銅的高度遠(yuǎn)大于其厚度,沿厚度方向的熱阻遠(yuǎn)小于沿高度方向的熱阻,熱量主要通過(guò)導(dǎo)熱的方式沿厚度方向傳遞。由于泡沫銅的超親水特性和液膜處于低壓環(huán)境,會(huì)顯著抑制沸騰換熱過(guò)程,所以液膜中不會(huì)出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。超親水泡沫銅的整體換熱包含液膜內(nèi)的導(dǎo)熱和氣液界面的蒸發(fā)兩個(gè)過(guò)程,導(dǎo)熱熱阻遠(yuǎn)大于界面蒸發(fā)熱阻,導(dǎo)熱熱阻占據(jù)主導(dǎo)地位,所以整體換熱系數(shù)比較低。微納復(fù)合結(jié)構(gòu)使得液體能夠輕易潤(rùn)濕泡沫銅的骨架結(jié)構(gòu),在微納復(fù)合結(jié)構(gòu)上形成很薄的覆蓋液膜,促進(jìn)界面蒸發(fā)換熱,所以界面蒸發(fā)換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于整體換熱系數(shù),當(dāng)熱流密度范圍為2.3 W/cm~2~25.3 W/cm~2時(shí),界面蒸發(fā)換熱系數(shù)范圍為7.8kW/(m~2K)~67.9 kW/(m~2K)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TK124
【圖文】：

隨著科學(xué)研究的不斷深入，仿生表面開(kāi)始出現(xiàn)，并將其用于實(shí)際生活和科學(xué)研究中科學(xué)家受到自然界中荷葉疏水、魚(yú)鱗親水和豬蘢草捕食等現(xiàn)象的啟發(fā)，根據(jù)生物的這些特性研究出了超疏水[1]、超親水[8]和 SLIPS 表面[2, 3]，其中超親水表面在水下?tīng)顟B(tài)時(shí)，呈現(xiàn)超疏油的特點(diǎn)[4, 8]，如圖 1-1 所示。

最終氟硅烷與表面之間形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵[9]。當(dāng)微納結(jié)構(gòu)表面被低表面能的氟硅烷修飾之后，就會(huì)顯著降低表面的表面能，使得表面具有顯著的排斥水的特點(diǎn)，如圖 1-2所示。超疏水表面這種排斥水的性質(zhì)，使得水在超疏水表面上形成球形液滴，液滴與表面只有很少的接觸面積，因此液滴極容易從表面上滾落，超疏水的這種特點(diǎn)可以應(yīng)用于設(shè)備防水防結(jié)冰等方面。

圖 1-3 SLIPS 表面制備過(guò)程[2]Fig. 1-3 Fabricating processes of SLIPS[2].親/疏水性的定義濕性是由接觸角(Contact angle, CA)來(lái)定義的，如圖 1-4 所示，當(dāng)小于 5°時(shí)定義為超親水表面，當(dāng)接觸角大于 5°小于 90°時(shí)定ilic surface)，當(dāng)接觸角大于 90°小于 150°時(shí)定義為疏水表面(接觸角大于 150° 滾動(dòng)角小于 5° 時(shí)定義為超疏水表面[5]。當(dāng)液面呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，即 Wenzel 狀態(tài)和 Cassie-Baxter 狀態(tài)，如圖 1時(shí)，液滴底部會(huì)浸入到表面結(jié)構(gòu)中，使得液滴釘扎在表面結(jié)構(gòu)上，而在 Cassie-Baxter 狀態(tài)時(shí)，液滴懸掛在表面結(jié)構(gòu)之上，液滴底，液滴極易從表面上滾落[10]。這兩種狀態(tài)決定了液滴在表面的釘是否能夠從表面上滾落。

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本文編號(hào)：2750853