《物-化耦合微納米結構潤濕性及促進滴狀冷凝機理研究》是依託西安交通大學，由齊寶金擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：物-化耦合微納米結構潤濕性及促進滴狀冷凝機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：齊寶金
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
微納米複合結構所呈現的潤濕性是表面多種物理-化學特性相互耦合、協同作用的結果，耦元種類的多樣性及相互耦聯方式的複雜性導致物-化特性耦元影響潤濕性機理的定量描述困難，但卻極為關鍵。本課題擬將可拓學理論與多元耦合仿生原理相結合，通過對耦元及耦聯方式的可拓共軛分析來辨識主次耦元、解析耦合機理，進而建立物-化耦合微納米陣列模型。採用分子動力學理論模擬典型物-化耦合結構界面上微觀液滴的聚集形態和潤濕性能，構建物-化特性與潤濕性函式關係，求解最佳化參數。以此為指導，設計製備物-化特性參數可控的微納米疏水表面，並實驗觀察分析物-化特性參數影響冷凝液滴生成、融合、自遷移的依變規律。最後將微納米物-化特性參數引入滴狀冷凝傳熱分析，建立滴狀冷凝傳熱模型。通過本課題的研究，能更全面客觀的揭示物-化耦合微納米結構潤濕性及促進滴狀冷凝作用機理，為微納米仿生結構強化冷凝換熱實驗室探索和工業化套用提供技術儲備和理論指導。
結題摘要
微納米複合結構表面能夠表現出獨特潤濕特性，在強化冷凝、沸騰等相變換熱過程方面具有巨大的套用前景和研究價值。為此，本課題圍繞表面微納米結構強化相變換熱這一研究目標，從巨觀和微觀角度對表面結構強化冷凝和沸騰換熱過程進行了理論和實驗研究。理論研究方面，將可拓學理論與多元耦合仿生原理相結合，同時引入分形理論到冷凝傳熱分析過程中，分別對液滴在不同疏水表面和液膜在不同槽型表面的分布規律進行理論分析和數值模擬，重要結論和進展如下：（1）基於分形理論的液滴分布模型更加符合液滴實際分布情況，利用該模型可計算較大接觸角範圍內冷凝液滴的分布函式和傳熱量，且模型計算值與文獻數據及實驗測量值吻合較好，誤差小於15%；（2）提出利用漸開線槽表面減薄冷凝液膜，降低傳熱熱阻，強化膜狀冷凝換熱的研究思路，液膜在該槽表面的溫度及熱流密度分布更加均勻，傳熱性能較其它槽型提高30%以上，這一結論也得到了實驗證實。實驗研究方面，項目首先實驗探索了微納米級餘弦槽疏水表面強化滴狀冷凝傳熱特性。結果表明，液滴在微槽表面疏水性和傳熱性能都呈現明顯的各向異性，橫向的靜態接觸角明顯高於縱向接觸角，豎直縱槽阻礙液滴的橫向合併，但其對液滴脫落過程起到極大促進作用，傳熱性能較光滑表面提高30%-50%。其次，為了研究納米結構差異性對冷凝傳熱性能的影響，利用不同方法方法製備了不同結構的納米線、納米片及納米花等疏水表面。通過冷凝傳熱對比實驗發現，納米線和納米花結構表面能夠維持穩定滴狀冷凝，且納米花結構表面傳熱性能最佳。同時，我們還對微柱結構強化微重力沸騰換熱進行了理論和實驗研究，通過實驗觀測和理論建模，研究了氣泡脫離後產生的尾流對後續氣泡的動力學過程的影響規律。結果表明，大氣泡脫離後，所形成的尾流持續時間、尾流影響空間都大於後續氣泡，尾流效應將持續影響後續氣泡等生長、合併和脫離等動力學過程。
