水蒸气在超疏水微纳多孔结构表面上冷凝过程的可视化研究

论文摘要

蒸气冷凝是一种在日常生活中随处可见的气液相变过程,多是指水蒸汽在低于其饱和温度的低温表面上非均相成核的过程。蒸气冷凝作为一种快速高效的传热方式,也被广泛应用于各个工业领域,如电力生产、海水淡化、核反应堆安全防护和空调通风系统等。传统的冷凝模式分为膜状冷凝和珠状冷凝,相比之下,珠状冷凝的凝液以离散液滴（毫米级）形式存在热阻更小,因此传热性能更强。近年来一种新的冷凝模式引起了国内外学者的广泛关注,液滴弹跳冷凝,表面冷凝液滴（微米级）热阻更小且能以更高的频率通过合并弹跳的方式自发脱离表面,使其传热性能相比于珠状冷凝进一步增强。然而随着表面过冷度增大,冷凝液滴成核位点逐渐增多,最终会导致表面失效（液滴弹跳冷凝转变为传统珠状冷凝）传热性能恶化。另外,现有工作主要集中于设计有利于实现液滴弹跳的微纳结构表面,却缺乏关于微纳结构对液滴生长和运动特征的空间限制和隔离作用的研究。为了研究微纳结构对液滴生长和运动特征的空间限制和隔离作用并在大过冷度条件下实现液滴合并弹跳,本文使用电化学沉积方法制备了两种具有不同孔径大小的超疏水微纳多孔结构表面,并使用扫描电镜观测表面的具体形貌结构,对表面的特征参数（平均孔径及多孔层厚度）进行了统计分析。与此同时,使用接触角测量仪,对超疏水微纳多孔结构表面的静态接触角和动态接触角滞后进行测量。设计搭建低压冷凝传热可视化实验系统,对超疏水微纳多孔结构表面的冷凝过程进行宏观观测并测试其传热规律。结果表明,本文制备的超疏水微纳多孔结构表面能在大过冷度范围内（0-20 K）有效实现液滴弹跳冷凝。相比于光滑疏水表面（冷凝模式为传统珠状冷凝）,超疏水微纳多孔结构表面在过冷度为4 K时,热流密度和冷凝传热系数最大增强分别约为34%和190%。然而随着过冷度增加,表面液滴弹跳强度逐渐减弱,也导致冷凝传热性能逐渐减弱。当表面过冷度超过7 K时,超疏水微纳多孔结构的表面传热性能逐渐弱于光滑疏水表面。另一方面,液滴合并弹跳强度随着表面孔径增大而逐渐减弱,使得微纳多孔表面结构的冷凝传热性能随孔径增大而逐渐减弱。结合实验所得的液滴弹跳强度随孔径增大而减弱的变化趋势以及微纳多孔结构表面的冷凝传热性能测试结果,本文提出了微纳结构对于液滴生长和运动的空间限制和隔离作用的假设并间接证明了其合理性。设计搭建冷凝液滴运动特征可视化实验系统,从微观尺度观测超疏水微纳多孔结构表面在冷凝过程中表面上液滴的运动特征和分布规律。结果表明,随着孔径增大,表面发生合并弹跳液滴的直径增大,表面分布液滴的直径也更大,这也使得其表面液滴更新频率减慢以及凝液覆盖率增大从而导致传热性能恶化。这一现象进一步直接证明了微纳结构对于液滴生长和运动的空间限制隔离作用的正确性,也正是微纳结构对于液滴生长和运动的空间限制隔离作用有效的阻止了因表面液滴成核密度过大而引起表面失效导致冷凝模式由液滴弹跳冷凝转变为传统珠状冷凝。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 课题背景
•   1.2 传统冷凝传热
•     1.2.1 膜状冷凝
•     1.2.2 珠状冷凝
•   1.3 液滴弹跳冷凝
•     1.3.1 低压管外冷凝传热研究
•     1.3.2 低压平面冷凝传热研究
•     1.3.3 液滴运动行为特征研究
•   1.4 课题的来源、研究内容和创新点
•     1.4.1 课题来源
•     1.4.2 研究内容
•     1.4.3 创新点
• 2 超疏水微纳多孔结构表面的制备与表征
•   2.1 超疏水微纳多孔结构表面的制备
•   2.2 超疏水微纳多孔结构表面的表征
•   2.3 本章小结
• 3 冷凝可视化实验系统
•   3.1 低压冷凝传热可视化实验系统
•     3.1.1 实验系统要求
•     3.1.2 实验系统设计与建设
•     3.1.3 实验设备与实验流程
•     3.1.4 实验数据处理
•     3.1.5 实验误差分析与重复性验证
•   3.2 冷凝液滴运动特征可视化实验系统
•     3.2.1 实验系统设备及建设
•     3.2.2 实验流程
•     3.2.3 实验数据处理
•   3.3 本章小结
• 4 超疏水微纳多孔结构表面冷凝过程
•   4.1 表面冷凝液滴运动特征的宏观观测及分析
•   4.2 超疏水微纳多孔结构表面传热曲线分析
•   4.3 表面冷凝液滴运动特征的微观观测及分析
•   4.4 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期刊发表的相关论文
• 硕士阶段获奖情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 牟林巍

导师: 范利武

关键词: 冷凝,液滴合并弹跳,冷凝传热,微纳多孔结构,超疏水

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 浙江大学

基金: 国家自然科学基金面上项目《高温高压环境下水在金属表面接触角的原位表征与浸润机理研究》(批准号:51776184),中央高校基本科研业务费专项资金项目《不凝气含量对微纳结构疏水表面水蒸气冷凝传热特性的影响》(批准号:2018QNA4015),浙江大学“百人计划”科研启动项目

分类号: O552.6

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.001933

总页数: 64

文件大小: 5695K

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