表面微观特征对液滴润湿状态及气液界面稳定性的影响

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1、表面微观特征对液滴润湿状态及气液界面稳定性的影响(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：能源与动力工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：朱毅指导教师：吴晓敏教授二〇一七年十一月InfluencesbySurfaceMicroscopicCharacteristicsonDropletWettingStateandStabilityofGas-liquidInterfaceDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthe

2、degreeofDoctorofPhilosophyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyZhuYiDissertationSupervisor::ProfessorWuXiaominNovember,2017摘要摘要在换热器生产和运行等环节中，加工造成的表面粗糙不均及表面缺陷，污垢、结晶引起的表面各向异性，均会影响表面液滴的润湿状态等，进而影响换热器性能。因此，研究表面微观特征对液滴润湿状态及气液界面稳定性的影响，对于了解液滴润湿状态的形成及转变机制、完善润湿理论具有重要的学术意义

3、，对于研发不同润湿表面有重要的指导意义。本文采用理论研究、实验研究及数值模拟相结合的方法，提出了非自发转变的疏水区，解决了在润湿状态转变调控时是否需要触发条件问题，揭示了表面微观结构尺寸、形貌、层级、缺陷及蒸发等对液滴润湿状态及气液界面稳定性的影响，主要内容如下：通过界面自由能分析，充实和完善了润湿状态描述方程，划分了润湿状态区间，并在余弦图上进行了表征，分析了影响液滴润湿状态和润湿状态区间分布的因素。结果表明：对于疏水表面可以由本文引入的临界接触角进一步划分为润湿状态自发转变区和非自发转变区；表面液滴最终呈现的状态必定对应着余弦图上液滴

4、表观接触角最接近90o，即液滴界面自由能最低的润湿状态方程；对于疏水材质提高表面粗糙系数有利于表面超疏水。数值研究了表面微结构尺度、结构尺寸及微观形貌对液滴润湿状态的影响，并通过所推导液滴润湿状态稳定性方程，进一步分析了微结构内角对液滴润湿状态及其下气液界面稳定性的影响。结果表明：倒梯形微结构表面液滴下气液界面稳定性好，增加微结构深度会减弱倒梯形微结构表面液滴下气液界面的稳定性，梯形微结构表面则相反；大微结构内角有利于表面液滴下气液界面钉扎于微结构顶端，而小微结构内角会使表面液滴更易转变为Wenzel状态，但浸润步数较多。数值研究了多级结

5、构、缺陷等复杂表面条件对液滴润湿状态的影响，并自行制备了多种疏水性微结构表面，实验研究了蒸发对液滴润湿状态及气液界面稳定性的影响。结果表明：微米级二级微结构会阻碍液滴的运动；表面微结构局部深度不同、表面形貌不均匀及表面结垢均会减弱液滴下气液界面的稳定性；蒸发会引发液滴下气液界面失稳，引起液滴下气液界面形态变化；微槽表面液滴下气液界面的稳定性优于微柱表面，在微槽结构表面上，液滴蒸发不易引起润湿状态转变。关键词：表面微观特征；润湿状态；气液界面；微观形貌；结构层级IAbstractAbstractTheevaporatorheattransf

6、ersurfacedesignisoneoftheimportantapplicationsofthewettingphenomenon.Amongevaporatorproducingandoperatingprocesses,theroughnessandheterogeneityofthesurfacearisedbymanufacturedtechnologicallevel,theanisotropycausedbydirtorcrystallization,andthedropletwettingtransitioncause

7、dbyinhomogeneousmicroscopicstructurescaninfluencetheevaporatorliquiddistribution,heattransfer,drainageandheatrecoveryprocesses.Therefore,analyzingthedropletwettingstateandstudyingthesurfacemicroscopiccharacteristics,defectsordisturbancesinfluencesonthesurfacedroplet,canpr

8、ovidesupportmentforimprovingthewettingtheory,understandingtheformationmechanismofthedropletwetti