蒸汽分子近壁区冷凝积聚现象的原位红外研究

发布时间：2020-06-19 19:27

【摘要】：蒸汽的冷凝和捕集是强化工业传热和缓解干旱地区缺水的重要环节。近年来关于水汽冷凝和收集的生物表面以及相应的仿生工程表面不断涌现,大量研究者对复合结构和梯度结构进行了充分的研究,但是大多针对液滴在结构表面的宏观润湿性和运动机制进行研究,对于最小液滴生成之前的蒸汽分子向壁面的聚集、分布、演化及核化生长规律的系统研究,却比较缺乏。一些研究表明,在凝结之前,蒸汽分子可能首先在近壁面的气相中发生积聚,利用和强化这种积聚现象将为指导工程表面上微纳结构的设计打开新的思路。因此,本文首先研究蒸汽分子沿壁面法向空间中的分布规律,获得气相分子在近壁面空间的演化特性,然后进一步分析这种演化特性及多种表面结构影响下的凝结特性,主要工作如下:利用衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术和位移平台,得到过冷壁面附近薄层内各位置处的红外光谱,发现饱和湿空气遇到过冷壁面凝结时,蒸汽分子在气相主体中发生团聚形成团簇。分析认为最小液滴形成前在气相中先经过团聚的过渡过程,团簇沉积到过冷壁面完成相变。水分子团簇在靠近壁面的过程中逐渐增大,并可能趋近于紧密的球形团簇形态,在距壁面600um处的团簇约包含几百个水分子。理论计算表明,随着团簇尺寸增大,(H_2O)n的伸缩振动频率向低频演化,这同时也反映了团簇内部分子间相互作用和结构的变化。为了进一步验证蒸汽分子沿着壁面垂直方向的气相中的积聚特性和分布规律,以常用冷凝介质乙醇作为研究对象,进行了模拟和实验。首先通过分子模拟计算表明乙醇团簇(n=2、3、4、5、6)随着尺寸增大伸缩振动频率向低频移动,通过实验也发现了其在过冷壁面的红移现象。这说明了乙醇存在与水分子凝结过程类似的团簇演化机制。但同时两种冷凝工质团簇演化的规律仍有不同。相比于水分子,乙醇分子上乙基的空间位阻使其较难形成团簇,因而造成乙醇团簇沿着壁面的分布范围小于水蒸汽。通过这个现象或许还可预计乙醇的气相传热边界层厚度小于水蒸汽的传热边界层厚度。在上述过冷壁面附近团簇空间分布规律的基础上,探索了近壁面空间中存在的微结构影响凝结过程的作用机制。通过模型分析可以推测,生物的典型捕水结构强化凝结的原因可能是亲水性微结构使团簇附着时的曲率半径增大,直接达到或超过临界半径,从而使团簇进入高速生长期,自发地生长到宏观液滴。根据近壁空间团簇分布特点,微结构存在一个最佳高度范围。这对目前壁面微结构的设计是一条新思路。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ021.3;O657.33

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