基底性质和相对湿度对珠状凝结影响的研究

发布时间：2020-08-07 09:13

【摘要】：液滴凝结是自然界中最常见的物理现象之一,被广泛的应用于环境除湿、工业发电和海水淡化等领域。因基底润湿性的不同,主要有膜状凝结和珠状凝结两种凝结模式,后者比前者拥有更好的传热能力。为提升凝结效率,人们在不同材料和经过物理、化学处理的硬基底上进行了大量的凝结研究。然而,却鲜有软基底上的液滴凝结实验。而且,以往对凝结的研究主要保持在同一湿度下,不同湿度对凝结过程的影响还不清楚。此外,在液滴凝结的过程中,液滴之间的融合对液滴的生长有着重要的影响。对液滴融合动力学的研究可以更好的理解凝结过程。综上,本论文的研究内容分为三个部分:第一部分,研究了基底硬度对液滴珠状凝结的影响。结果表明:基底越软,液滴增长速度越快,表面覆盖率也越大。当表面覆盖率趋于稳定后,尺寸较大的液滴的快速融合以及新产生的小液滴数目增长,导致表面覆盖率在较硬的基底上出现多次先下降后上升的振荡现象;而在软基底上,因脊状形变对液滴融合的阻碍,表面覆盖率的振荡次数明显降低。第二部分,研究了湿度对硬基底上珠状凝结的影响。湿度越大,液滴凝结速度越快,表面覆盖率也越大。相比于90%湿度,60%湿度下表面覆盖率的增长速度和稳态值仅略微下降。而在更低的湿度30%下,其值远远低于前两者。此外,在实验观测时间内,表面覆盖率的振荡现象仅在低湿度30%下没有观察到。这可归因于低湿度对液滴半径增长的抑制导致液滴不够大,在融合后不足以对表面覆盖率产生明显的影响。第三部分,研究了不同湿度下基底的润湿性及硬度对微液滴融合的影响。发现在液滴融合过程中经历了两个极其迅速的阶段:月牙状液桥的迅速生长和类似椭球冠复合液滴的形成;以及一个比较缓慢的阶段:复合液滴从椭球冠回复成球冠液滴。前两个阶段都发生在2毫秒内且与基底润湿性与软硬几乎没有关系,而第三个阶段只有在足够疏水和硬的基底上才能观察到,并且该阶段回复所用的时间因基底性质的不同从几十到几百毫秒不等。此外,该缓慢回复过程应用流体动力学或蒸发驱动接触线移动的模型都不能很好的解释,而与分子动理论吻合的比较好。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O552.6
【图文】：

示意图,软基底,硬基,液滴

中的湿度可以防止其损坏；而在海水淡化中，增湿除湿法是比较高效与环保的一种重要方法，其中利用蒸汽的冷凝潜热可以大大提高淡化效率[6]。因基底润湿性的不同，水蒸气会在基底上凝结成一层水膜 (膜状凝结) 或独立分布的液滴 (珠状凝结)。前者通常发生在完全润湿的基底上，而后者则常见于部分润湿或非润湿的基底。相对于膜状凝结中水膜对热传递的阻碍，珠状凝结中液滴之间持续的融合以及液滴因重力等因素导致的脱落与滑移都会使基底有更多的凝结空间，因此珠状凝结比膜状凝结有更高的传热效率[7]。除了基底润湿性，液滴凝结还与环境湿度和固体基底的硬度有关。研究这些因素对液滴凝结的影响，对于提高工业效率，减少资源和能源的浪费有着重要的意义。1.2 基本概念与理论1.2.1 表面润湿性

形貌,润湿状态,完全干燥,状态

cosSV SL eq 系统处于热力学平衡状态下成立。事实上，我们所处的环境状态，通常用对静止状态下液滴形貌拟合所得的宏观接触角eq 。得三个表面张力，那么不同的润湿状态就可以推得。如果围为0 180eq ，我们称该状态为部分润湿。如果SV 于零。此时，一个宏观均匀的液体层覆盖在整个固体基底上常我们用稳态铺展系数eqS 来表征这两种状态，表达式为 cos 1eq SV SL eqS

过程图,分子动理论,动态,液体分子

图 1-3 分子动理论描述的动态润湿过程[12]当系统平衡时，接触线移动速度为 0，液体分子频率0k 为0expB sA B sk T Gk k kh N k T 曼常数，sT 为绝对温度， h 为普朗克常数， G 外力 (如表面张力等) 作用下，液体分子向前和向exp2B sA B s B sk T G wkh N k T nk T k T G w

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