亲疏水表面的流动和相变换热特性研究

发布时间：2020-07-11 19:51

【摘要】：近年来,不同润湿性的超亲水、超疏水和SLIPS(Slippery liquid-infused porous surface,SLIPS)表面在流动及相变换热领域具有极其重要的应用,引起了越来越多的重视,有关这种具有不同润湿性的表面在传热领域的应用的研究还很少。超疏水表面能够延迟液滴的结冰时间,但还需要更多深入的研究。在流动减阻方面,超疏水表面能够起到流动减阻的作用,但同时也能削弱对流换热,其综合热水力性能值得研究。超亲水表面能够促进液体蒸发,提高蒸发换热能力,但微纳复合结构对蒸发换热的影响机理还需要深入分析。蒸气在SLIPS表面的冷凝成核、合并、滑移和清扫过程有待深入研究,尤其是在具有SLIPS冷凝器和超亲水蒸发器的重力热管中,润滑油对SLIPS冷凝器中蒸汽冷凝和蒸发器中液体蒸发的作用机理有待深入研究,到目前为止还没有这方面的研究报道。基于此,本文从以下几个方面开展研究工作。研究了液滴在铝基超疏水表面上结冰延迟的特点,和不同温度下表面自由能的变化情况,分析了表面微纳复合结构形貌、表面自由能和异相成核能障对冷凝结冰过程的影响。铝基表面经过化学刻蚀和氟硅烷修饰之后呈现出良好的疏冰性能,其接触角高达162.5°,滚动角和迟滞角分别为1.9°和1.1°。超疏水表面的表面自由能随着表面温度的降低而升高,表面的异相成核能障随接触角的增大而增大,超疏水表面在-11.9℃经过1568 s之后才开始出现结冰现象,但是对于喷砂表面在-6.6℃经过159 s就开始出现结冰,这表明超疏水表面具有优越的疏冰性能。研究了不同直径的超疏水管道内的流动减阻、换热和综合热水力性能,分析了表面自由能和表面粘附功对流动的影响,本文的研究中超疏水表面的流动减阻范围为8.3%~17.8%,减阻率随Re的增加而减小,随管径的减小而增大,超疏水表面对减阻的影响随管道面体比的增大而增强。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纳空气凹穴抑制了流动换热,所以超疏水管道的换热系数低于光滑管道的换热系数。所有超疏水管道的综合热水力性能都随Re的增加而减小,直径为8.0 mm超疏水管道的综合热水力性能最佳。SLIPS表面能够很好的提高冷凝换热系数,但是SLIPS表面上冷凝液滴表面覆盖的润滑油膜在液滴滑移脱离之后容易沾染在其它表面上,润滑油的沾染会严重限制其应用,尤其是对于热管这种同时涉及到沸腾/蒸发和冷凝相变换热过程的换热设备。润滑油会轻易的沾染在普通蒸发器表面上,导致蒸发器从亲水表面转变为疏水表面。将超亲水表面引入到热管中,使得蒸发器具有超疏油的特性,减轻或避免蒸发器表面由于润滑油的沾染而导致的沸腾/蒸发恶化。将超亲水蒸发器与SLIPS冷凝器相结合的新型重力热管(Two-phase closed thermosyphon with SLIPS condenser and SHi evaporator,TPCT-SHiSL)与其它各种组合形式重力热管进行对比研究,分析不同冷凝表面的表面自由能、异相成核能障和核化数密度。在SLIPS表面上液滴很容易核化、合并和滑移,这些过程使得SLIPS冷凝器的冷凝换热系数比其它表面高2.5倍,而超亲水蒸发器能够很好的防止润滑油的沾染,从而最大限度的削弱了润滑油对沸腾/蒸发过程的影响。所有重力热管组合形式中只有TPCT-SHiSL的热阻比最小,即(37)_(SHiSL-PP)的变化范围为0.776~0.964,比其它组合形式重力热管的换热性能高28.9%,这表明TPCT-SHiSL这种重力热管的换热性能最佳。研究了不同充注率对超亲水蒸发器和SLIPS冷凝器这种组合形式重力热管的换热过程的影响机理。TPCT-SHiS的超亲水蒸发器的换热系数的变化趋势类似于TPCT-PP的普通蒸发器的换热系数变化趋势。当充注率为40%和70%在低热流密度时以及充注率为25%时,在TPCT-SHiSL的超亲水蒸发器中液膜蒸发换热起主导作用,其它情况下池沸腾换热起主导作用。蒸发换热随着热流密度的升高而减弱,在较高热流密度时池沸腾换热起主导作用。当充注率为98%时,TPCT-SHiSL的超亲水蒸发器中池沸腾换起主导作用。对于TPCT-SHiSL,随着充注率的升高,水很容易被携带进入到冷凝器中,抑制冷凝液滴从壁面滑落,导致SLIPS冷凝器的冷凝换热能力下降。(37)_(25%/40%)、(37)_(70%/40%)和(37)_(98%/40%)的平均值分别为0.823、1.010和1.104,相较于其它充注率虽然TPCT-SHiSL的充注率为25%时总热阻最小,但是随热流密度稍微增加其总热阻就会急剧增大。在所有充注率下,重力热管的蒸发热阻都大于冷凝热阻。综合考虑TPCT-SHiSL的总热阻和换热能力,这种重力热管的最佳充注率为40%。为了降低蒸发热阻,增强蒸发换热能力,研究了超亲水泡沫铜的液膜蒸发机理,蒸发液膜厚度随热流密度的增加而减小,沿高度方向蒸发液膜的厚度逐渐减薄。液膜内的速度处于低速层流状态,速度对对流换热的影响可以忽略,超亲水泡沫铜的高度远大于其厚度,沿厚度方向的热阻远小于沿高度方向的热阻,热量主要通过导热的方式沿厚度方向传递。由于泡沫铜的超亲水特性和液膜处于低压环境,会显著抑制沸腾换热过程,所以液膜中不会出现沸腾现象。超亲水泡沫铜的整体换热包含液膜内的导热和气液界面的蒸发两个过程,导热热阻远大于界面蒸发热阻,导热热阻占据主导地位,所以整体换热系数比较低。微纳复合结构使得液体能够轻易润湿泡沫铜的骨架结构,在微纳复合结构上形成很薄的覆盖液膜,促进界面蒸发换热,所以界面蒸发换热系数远大于整体换热系数,当热流密度范围为2.3 W/cm~2~25.3 W/cm~2时,界面蒸发换热系数范围为7.8kW/(m~2K)~67.9 kW/(m~2K)。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK124
【图文】：

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随着科学研究的不断深入，仿生表面开始出现，并将其用于实际生活和科学研究中科学家受到自然界中荷叶疏水、鱼鳞亲水和猪茏草捕食等现象的启发，根据生物的这些特性研究出了超疏水[1]、超亲水[8]和 SLIPS 表面[2, 3]，其中超亲水表面在水下状态时，呈现超疏油的特点[4, 8]，如图 1-1 所示。

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最终氟硅烷与表面之间形成稳定的化学键[9]。当微纳结构表面被低表面能的氟硅烷修饰之后，就会显著降低表面的表面能，使得表面具有显著的排斥水的特点，如图 1-2所示。超疏水表面这种排斥水的性质，使得水在超疏水表面上形成球形液滴，液滴与表面只有很少的接触面积，因此液滴极容易从表面上滚落，超疏水的这种特点可以应用于设备防水防结冰等方面。

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图 1-3 SLIPS 表面制备过程[2]Fig. 1-3 Fabricating processes of SLIPS[2].亲/疏水性的定义湿性是由接触角(Contact angle, CA)来定义的，如图 1-4 所示，当小于 5°时定义为超亲水表面，当接触角大于 5°小于 90°时定ilic surface)，当接触角大于 90°小于 150°时定义为疏水表面(接触角大于 150° 滚动角小于 5° 时定义为超疏水表面[5]。当液面呈现两种状态，即 Wenzel 状态和 Cassie-Baxter 状态，如图 1时，液滴底部会浸入到表面结构中，使得液滴钉扎在表面结构上，而在 Cassie-Baxter 状态时，液滴悬挂在表面结构之上，液滴底，液滴极易从表面上滚落[10]。这两种状态决定了液滴在表面的钉是否能够从表面上滚落。

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