铜基微纳结构表面液滴铺展及流动沸腾换热特性研究

发布时间：2017-12-12 14:04

  本文关键词：铜基微纳结构表面液滴铺展及流动沸腾换热特性研究

  更多相关文章： 微纳结构 超亲水 液滴铺展 沸腾换热

【摘要】：微纳结构热功能表面是一种强化传热传质的特殊功能表面。利用各种表面加工技术获得的特定的微纳结构,也会对表面的润湿性产生重要影响。本文利用激光烧蚀和氧化还原相结合的方式,制备了具有微纳结构的超亲水表面,应用试验和数值模拟相结合的方式对比研究了液滴撞击光滑表面和微纳超亲水表面的形态变化过程及液滴内部流场变化,并利用自行搭建的过冷流动沸腾试验台研究了微纳结构和表面润湿性对沸腾换热性能的影响。首先选取紫铜为基体材料,采用不同目数的砂纸对其进行打磨、金相试样抛光机结合金刚石研磨膏抛光表面,制备了具有镜面效果的光滑表面试验样件,其表面接触角为65°。采用激光烧蚀方法获得了接触角为19°的微结构表面,在此基础上,进一步利用氧化还原反应得到了微纳结构超亲水表面,并利用Wenzel模型对其超亲水特性进行了分析。采用两台高速摄像机分别从俯视和侧视两个角度,记录了不同We数下,液滴撞击光滑表面和微纳结构表面的铺展过程中的形态演变过程,并利用L9(21×33)混合正交试验分析了不同微纳结构对表面铺展特性的影响。研究结果表明:液滴撞击光滑表面和微纳结构表面表现出不同的形态及铺展特性。液滴撞击光滑表面后快速铺展,其三相接触线在达到最大直径后开始回缩,在回缩过程中液滴出现明显的振荡松弛过程,经较多次振荡回缩后液滴以球冠状保持稳定状态。液滴撞击微纳结构超亲水表面后三相接触线持续向外铺展,而只有中心位置的液体会在表面张力的作用下发生极少次的回缩振荡。在铺展初期,低We数下,光滑表面的液滴铺展直径大于微纳结构表面,而高We数下,微纳结构表面的液滴铺展直径一直大于光滑表面。对9个表面的铺展性能进行极差分析发现,影响表面铺展性能的主次因素依次为:微结构形状、氧化还原反应时间、微结构尺寸、微结构间距。基于VOF方法,对液滴撞击光滑表面和微纳结构表面的形变、气液界面的速度分布、中心截面的轮廓形变过程以及不同截面内的速度分布进行了数值模拟分析。液滴撞击表面后最大速度出现在中心位置液体与液膜连接处,且速度从此处沿径向逐渐减小。液滴在微纳结构表面的铺展速度大于在光滑表面的铺展速度。在微纳结构表面由于微方柱的矩形阵列,液滴在铺展过程中呈现出与光滑表面不同的形状变化。液滴撞击微纳结构表面不同截面的速度分布没有表现出明显差异,其原因是由于微结构的高度太小,所以在垂直方向没有对速度场产生明显影响。采用自行搭建的过冷流动沸腾试验台对9个表面进行了强化换热性能研究,并应用极差分析得出了影响强化换热性能的主次因素和最优组合。结果表明:9个微纳结构表面的换热性能都优于光滑表面。在四个因素中,微结构的形状对强化沸腾换热的影响最大,其次为微结构尺寸、微结构间距以及氧化还原反应时间。微纳结构表面强化沸腾换热的原因可表述为:微纳结构在一定程度上增加了表面的换热面积;微纳结构表面相比光滑表面气泡的成核密度减小,脱离直径也减小,但气泡的脱离频率较高。9个微纳结构表面相比光滑表面呈现出更加亲水的特性,说明在本文所设工况下,表面润湿性的增加对表面的沸腾换热性能起到强化作用。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB306

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

1 魏进家;张永海;;柱状微结构表面强化沸腾换热研究综述[J];化工学报;2016年01期

2 徐鹏飞;李强;宣益民;;超亲水多孔表面制备及其池沸腾换热研究[J];工程热物理学报;2014年08期

3 斯芳芳;张靓;赵宁;陈莉;徐坚;;超亲水表面制备方法及其应用[J];化学进展;2011年09期

4 张小霞;汤勇;万珍平;陆龙生;何雅玲;;不锈钢三维整体外翅片管的复合成形[J];华南理工大学学报(自然科学版);2011年08期

5 汤勇;周明;韩志武;万珍平;;表面功能结构制造研究进展[J];机械工程学报;2010年23期

6 汤勇;潘敏强;汤兴贤;;表面热功能结构制造领域的发展及关键技术[J];中国表面工程;2010年01期

7 陈粤;莫冬传;赵洪彬;丁楠;吕树申;;二氧化钛纳米管界面沸腾特性[J];工程热物理学报;2009年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 于春健;结构表面对受限空间核沸腾机理及强化的影响[D];大连理工大学;2012年

，

本文编号：1282754