發(fā)布時(shí)間：2020-05-25 22:30

【摘要】：超疏水表面由于其優(yōu)良的防水性,在節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。超疏水表面特殊的微-納結(jié)構(gòu)使其具有多種功能屬性,包括自清潔、表面減阻和防結(jié)冰等。掌握表面形貌對(duì)液滴在超疏水表面流動(dòng)與傳熱行為的影響規(guī)律,對(duì)于優(yōu)化超疏水材料制備工藝以及開發(fā)與超疏水表面相關(guān)的能源應(yīng)用具有重要意義。目前對(duì)光滑和規(guī)則粗糙超疏水表面液滴動(dòng)態(tài)行為特征有較為深入的理解,然而對(duì)自然界和工程實(shí)際中大量存在的隨機(jī)粗糙結(jié)構(gòu)超疏水表面的研究還非常少,尤其是對(duì)其微觀作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠具體深入。因此,本文采用格子玻爾茲曼法(lattice Boltzmann method,LBM),從介觀尺度模擬研究液滴在隨機(jī)分布粗糙結(jié)構(gòu)超疏水表面上的三種典型動(dòng)態(tài)行為,包括液滴碰撞壁面反彈、冷凝液滴合并彈跳和液滴蒸發(fā),總結(jié)粗糙表面結(jié)構(gòu)對(duì)液滴動(dòng)態(tài)的影響規(guī)律,為超疏水表面的制備和優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。首先,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的真實(shí)表面粗糙參數(shù)(峰度、偏度和標(biāo)準(zhǔn)偏差),采用快速傅里葉變換法重構(gòu)得到隨機(jī)分布粗糙結(jié)構(gòu)超疏水表面。偏度、峰度和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別從表面的尖銳程度、結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及結(jié)構(gòu)的起伏程度三個(gè)不同角度表征粗糙表面。與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相比,計(jì)算機(jī)重構(gòu)方法具有參數(shù)可控的特性,可得到任意尺寸和粗糙度的表面,且可通過控制單一變量來研究各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超疏水表面性能的影響,這為詳細(xì)研究隨機(jī)分布粗糙超疏水表面的性能提供了基礎(chǔ)。其次,采用LBM研究了液滴在隨機(jī)分布粗糙結(jié)構(gòu)超疏水表面的碰撞過程。模擬再現(xiàn)了液滴碰撞超疏水表面后動(dòng)態(tài)行為的細(xì)節(jié),主要包括:液滴鋪展、回縮和反彈過程;分析了粗糙參數(shù)、表面潤(rùn)濕性和液滴撞擊速度對(duì)液滴彈跳能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)液滴在偏度值較小、峰度值約為3.0的粗糙表面表現(xiàn)出最好的反彈性能;液滴在具有較大本征接觸角的表面發(fā)生反彈所需的碰撞速度更小,碰撞接觸時(shí)間也更短。與規(guī)則表面對(duì)比發(fā)現(xiàn),可以通過減少表面尖邊數(shù)量以及溝槽之間的間隔來增強(qiáng)粗糙表面的反彈性能。第三,利用LBM和能量分析法研究了冷凝液滴在隨機(jī)分布粗糙結(jié)構(gòu)超疏水表面上的合并彈跳行為。主要分析了壁面粗糙結(jié)構(gòu)、潤(rùn)濕性和液滴大小對(duì)液滴合并彈跳能力的影響。研究發(fā)現(xiàn),根據(jù)粗糙表面的形貌,合并液滴存在三種潤(rùn)濕狀態(tài):Wenzel狀態(tài)、Composite狀態(tài)和Cassie狀態(tài)。具有較小偏度、較大標(biāo)準(zhǔn)偏差以及峰度為3.0的粗糙表面,有利于合并液滴彈跳現(xiàn)象的發(fā)生;提高表面的非潤(rùn)濕性,可以縮短合并液滴的接觸時(shí)間,同時(shí)增大彈跳速度;合并液滴的最終彈跳狀態(tài)由表面結(jié)構(gòu)和潤(rùn)濕性共同決定。第四,利用LBM研究了液滴在隨機(jī)分布粗糙表面上蒸發(fā)過程中的釘和解釘機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),液滴在粗糙表面上的蒸發(fā)模式與接觸線附近的粗糙結(jié)構(gòu)密切相關(guān),如溝槽的深度和坡度。在尖邊處,接觸線的釘本質(zhì)上是一個(gè)緩慢移動(dòng)的過程,該動(dòng)態(tài)平衡是基于接觸線的自發(fā)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)的。另外,雖然液滴在隨機(jī)分布粗糙結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)模式是隨機(jī)的,但是在特定設(shè)計(jì)的表面上,液滴傾向于以一種預(yù)期的方式蒸發(fā)。最后,基于局部力的平衡,分析了液滴在尖邊處發(fā)生釘-解釘?shù)脑颉Ｖ链?本文揭示了超疏水表面的粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)液滴動(dòng)態(tài)行為的影響規(guī)律,這些規(guī)律是超疏水表面設(shè)計(jì)和優(yōu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
【圖文】：

圖 1-1 超疏水表面的應(yīng)用，主要包括：液滴碰撞、自清潔、抗結(jié)霧、抗結(jié)霜、抗結(jié)露和防腐減阻Fig. 1-1 The application of superhydrophobic surface (SHS), mainly including droplet impacting,self-cleaning, anti-fog, anti-frost, anti-dew, anti-corrosion and drag reduction1.1.1 超疏水表面的基本概念固體表面的潤(rùn)濕性通常用表面上水滴的接觸角來表征。接觸角小于 90°的表面稱為親水表面；接觸角大于 90°的表面稱為疏水表面；接觸角大于 150°、滾動(dòng)角小于 10°的表面稱為超疏水表面。下面將簡(jiǎn)要介紹與超疏水表面有關(guān)的一些基本概念。(1) 光滑表面的接觸角。如果將水滴放置在平坦、光滑和化學(xué)成分均勻的表面上，其局部接觸角將嚴(yán)格取決于液體的表面張力和表面的化學(xué)性質(zhì)(表面能)。楊氏方程描述了固-液-氣三相接觸線處，界面張力之間的平衡。對(duì)于光滑表面，楊氏接觸角定義如下：LVSVSLYcos (1-1

滴在粗糙表面的形狀。(a) Wenzel 狀態(tài)；(b) Cassie-Baxter a liquid droplet on a rough surface. (a) Wenzel state; (b) Cas滲入到粗糙結(jié)構(gòu)中，與固體表面完全接觸。Wenzel 基于楊氏接觸角 θY和粗糙度 rs，給出了 Wenzel 狀態(tài)WsYcos rcos 糙度，定義為固體表面的真實(shí)面積與其表觀面積的比面粗糙度 rs增加，根據(jù)基材的表面化學(xué)性質(zhì)，W 狀是親水性的，那么表面粗糙化會(huì)降低其接觸角。相變粗糙則會(huì)增加其接觸角。停留在粗糙結(jié)構(gòu)的頂部，陷入粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氣體述了非均勻潤(rùn)濕狀態(tài)，并給出了 C-B 狀態(tài)對(duì)應(yīng)的接coscos1CsYs f f
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O647

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本文編號(hào)：2680838