《微振盪剪下作用下仿生超疏水表面水滴動力學特性研究》是依託蘇州大學，由范學良擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：微振盪剪下作用下仿生超疏水表面水滴動力學特性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：范學良
- 依託單位：蘇州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
利用仿生超疏水性表面實現滴狀冷凝傳熱，將會對石化、動力、航天等領域提高設備性能、節約能源以及原材料產生重要意義。基於如下的仿生學啟發：荷葉因為表面有著微納米尺度的突起而成為超疏水材料；而荷葉的隨風擺動又恰好給冷凝其上的水滴提供剪下驅動力，使得荷葉表面的水滴可以快速脫落。本項目擬將微振盪剪下，亦即仿生超疏水表面的橫向微振動，引入到仿生超疏水表面強化滴狀冷凝研究中: 擬製備不同表面微觀結構的仿生超疏水表面，通過對微振盪剪下作用下不同性質水滴在其表面的潤濕及動力學特性進行研究，探討水滴在典型結構仿生超疏水表面的動態潤濕特性、Wenzel-Cassie狀態轉變機理，水滴在超疏水表面的遷移、聚合、彈跳等動力學特性，以及粗糙表面微觀結構和振盪剪下特徵參數對水滴潤濕轉變特性的影響，為滴狀冷凝工業用仿生超疏水表面的設計和最終套用奠定理論基礎。
結題摘要
圍繞仿生納米結構表面的潤濕特性以及動力學行為，本研究在如下方面取得進展：（1）振動基底下超疏水表面的凝霜和抑霜實驗研究表明，僅憑垂直的低頻振動不能使超疏水表面達到除霜效果。然而在化霜期間，通過給定表面一個傾斜角度，可以加速化霜，並使得霜融化形成的水珠在振動激勵下迅速滾落。 （2）利用非局部彈性理論研究了作為振動基底的納米薄板的動力學特性，研究結果表明，納米小尺度參數的存在使得納米結構的剛度、撓度、固有頻率以及穩定性有別於傳統連續模型的預測，納米尺度下的液固耦合存在顯著的尺度效應。（3）針對具備冷凝液滴自彈跳功能的納米錐結構表面，建立了單個液滴的冷凝傳熱模型，研究了液滴的兩種生長模式：恆定接觸角模式（CCA）和恆定底面積模式（CB），得出了液滴按照這兩種模式生長的數學模型，進而分析影響冷凝液滴生長模式的影響因素。發現液滴生長率與液滴固有屬性及納米錐結構參數密切相關，而且各參數對於兩種生長模式的影響不完全相同。液滴按照CCA模式生長時，其半徑生長速率和納米錐熱導率與尖端尺寸呈正相關，且接觸角對其影響最大。當液滴按照CB模式生長時，接觸角生長速率同樣與納米錐間距和尖端尺寸呈正相關，接觸角對其影響最大。綜合冷凝液滴的兩種生長模式，可以得出接觸角對液滴生長的影響最為顯著。（4）針對冷凝液滴自彈跳功能的納米錐結構表面，綜合考慮單液滴傳熱模型，冷凝液滴尺寸分布，潤濕形態和液滴動力學，提出了一種納米結構超疏水表面上滴狀冷凝換熱模型。基於該模型研究了納米錐結構的熱物理性質和幾何形狀對冷凝換熱係數的影響，並進行了影響因子靈敏度分析。結果表明納米錐熱導率越高，滴狀冷凝換熱性能越好，而其他參數，如納米錐高度，尖端尺寸和納米錐間距對冷凝換熱係數的影響則是協同作用的。存在一個特定的幾何尺寸範圍和最佳組合可以用來增強冷凝傳熱性能，單純強調錶面的超疏水性能是不夠的。上述結論可為滴狀冷凝工業用納米結構表面設計提供理論指導。
