收藏本站
《大连理工大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

液滴撞击固体壁面的实验及理论研究

李西营  
【摘要】: 撞击液滴同固体壁面相互作用机制与内燃机燃烧、喷淋冷却、农药喷洒及喷墨打印等众多物理及化学过程有关,并且影响液滴撞击过程的固液间作用机制及撞击的初始条件(主要包括Weber、Reynolds、Capillary及Ohnesorge数)决定了以上过程的实施效果。液滴撞击过程中包含的自由界面的流体流动、作为边界条件的动态接触角表达及三相线处不可积分的应力奇异点问题成为研究者持续关注的焦点。本论文利用高速摄像仪实验研究了液滴撞击不同性质的固体壁面后的特殊动态行为,并针对撞击过程的特殊行为及结果进行了相关的理论解释。本文相关的理论结果能够对液滴撞击过程中的撞击行为进行合理的预测。 制备了三种不同润湿性表面,它们分别为疏水表面(镜面抛光后的黄铜表面)、亲水表面(亲水SiO2涂层表面)、超疏水表面(氟化处理后的具有微纳米复合结构的氧化铜表面)。通过研究不同润湿性固体表面上在热量传递影响下的液滴撞击行为,揭示了抛光铜表面上液滴收缩高度随壁面温度变化规律。壁面温度升高导致了最大液滴收缩高度增加,该现象可归因于表面张力梯度作用下的液体附加流动,并将该流动简化为具有温度梯度的倾斜平板上的受热液体流动,该状态下的液体流动可以借助润滑近似方程进行求解,相应的理论分析揭示了液滴收缩最大高度与壁温和接触时间的关系,理论结果与实验值相吻合。亲水表面上较小的接触角及后退角致使撞击液滴收缩过程中的三相线处于滞止状态,因此这也抑制了附加流动对液滴收缩高度的影响。此外,超疏水表面上液滴撞击的实验结果也明超疏水表面上的液滴收缩高度同样不受壁面温度变化的影响。考虑到超疏水状态下固液接触状态为复合润湿状态,此时撞击液滴与超疏水表面间捕获的大量空气(液体与气体间接触分率为97%)有效抑制了固液间热量传递,因此超疏水表面上撞击液滴的收缩行为也不受壁面温度变化的影响。 论文还通过控制有机蒸汽扩散的方法在洁净的玻璃表面上制备了具有轴对称及径向润湿性梯度分布的表面,并研究了该表面上的液滴撞击过程。实验结果表明撞击液滴铺展过程不受表面润湿性影响,但固体表面的润湿性变化决定了液滴的收缩行为。即使是同一表面上的液滴撞击过程,由于其不同方向上的润湿性差异也会导致液滴在不同方向上的收缩速度差异,最终表面润湿性决定了收缩后液滴的形态。论文利用惯性去湿理论解释了上述不同润湿性梯度分布表面上的液滴收缩运动变化规律。 利用光刻与干法刻蚀方法制备了具有正方形排布的微柱体结构表面,微柱体的直径及其间距由预先设计的光掩模控制,微柱体高度(高度为40μm)可以通过控制刻蚀时间获得。结构表面疏水化处理后呈现疏水或超疏水状态。疏水化的结构表面上液滴撞击实验发现液滴收缩过程中在微柱体表面上留下一层液膜,该液膜的存在影响了超疏水表面上的后退角及接触角滞后。液膜出现机理可以理解为液滴收缩过程中的滞后力(单位长度上的滞后力为F=σLG(cosθτ-cosθY))与气液界面不稳定性共同作用下的两相邻微柱体间的液束断裂所致。根据液束断裂导致液膜出现的假定进一步探讨了不同超疏水表面上的撞击液滴与结构表间的接触时间差别。最后对结构超疏水或疏水表面上的撞击液滴最大铺展直径进行了理论预测。考虑了结构表面内流体流动导致的粘性耗散及固液接触分率影响下的理论方程能够很好地反映实验结果。理论预测值与实验结果吻合较好。 同样的方法制备出类似结构表面,但微柱体高度控制在20μm,对表面进行疏水化处理后呈现疏水状态。实验研究了这些表面上不同的润湿性特征,并根据变形后的Wenzel方程(结构表面上的粗糙度以接触线长度分率表示)对这些表面上的各向异性润湿特性进行了解释。另外,结构表面的各向润湿性同样反映在液滴撞击实验中。最后对以上结构表面撞击液滴最大铺展直径进行了理论预测,考虑了结构表面内流体流动导致的粘性耗散及粗糙度的影响下的理论方程预测结果与实验相吻合。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ021

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 Alain Merlen;Philippe Brunet;;Impact of Drops on Non-wetting Biomimetic Surfaces[J];Journal of Bionic Engineering;2009年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孙震海;韩瑞津;;喷雾清洗中微颗粒受到流体作用力的研究(英文)[J];半导体学报;2008年06期
2 乔贞美;席文君;朱春雷;贾傲;;电镀法制备超疏水性铜表面[J];北京航空航天大学学报;2008年12期
3 王国刚;赵悦菊;张金玲;夏兵;王建辉;;硅橡胶表面润湿特性对积污行为影响的研究进展[J];中国表面工程;2012年02期
4 朱立群,金燕;具有憎水性的无机/有机膜层的制备方法与研究进展[J];表面技术;2005年03期
5 黄硕;吴仲岿;易辉;万晓东;张锐;;疏水型自清洁涂料的制备与性能研究[J];表面技术;2012年01期
6 陈美玲;张力明;杨莉;高宏;;低表面能船舶防污涂料的疏水结构及防污性能[J];船舶工程;2010年06期
7 孙江龙;吕续舰;李鹏;杨侠;;基于微纳结构的舰船仿生流体力学研究[J];船舶力学;2010年11期
8 宋明玉;黄新堂;;制备超疏水性铝表面的试验研究[J];长江大学学报(自科版)理工卷;2006年04期
9 李健;王颖;高新蕾;;智能涂层——类生物表面活性智能涂层[J];材料保护;2006年01期
10 路晓;管自生;;自清洁仿生表面的湿润性及其制备的进展[J];材料导报;2006年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 吴洁;张友法;余新泉;;金属仿生超疏水表面的制备及应用[A];纪念《金属制品》创刊40周年暨2012年金属制品行业技术信息交流会论文集[C];2012年
2 庄伟;蔡再生;徐壁;徐丽慧;;硅水溶胶法棉织物无氟超疏水整理研究[A];“亚伯”杯2011年第五届全国纺织印染助剂学术交流会论文集[C];2011年
3 康瑛珂;王金燕;杨广彬;张平余;;多孔状聚氯乙烯薄膜的制备及润湿性能研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
4 ;MODELING MECHANICAL PROPERTIES OF BIOLOGICAL NANOMATERIALS[A];祝贺郑哲敏先生八十华诞应用力学报告会——应用力学进展论文集[C];2004年
5 郑泉水;于洋;赵治华;;水压对微结构超疏水表面润湿模型稳定性及模型转换的影响[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(下)[C];2005年
6 赵晓娣;顾振亚;;防污自洁PVC建筑膜材的设计思路[A];第六届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集[C];2006年
7 王娇娜;赵亚洲;李从举;;“仿生”水稻叶子的表面结构初探[A];铜牛杯第九届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集[C];2009年
8 任露泉;王淑杰;韩志武;邱兆美;;植物孢粉壁非光滑表面结构特征及其仿生脱附机理[A];农业机械化与全面建设小康社会——中国农业机械学会成立40周年庆典暨2003年学术年会论文集[C];2003年
9 ;透明超疏水超疏油涂层(英文)[A];2010中国·重庆第七届表面工程技术学术论坛暨展览会论文集[C];2010年
10 姜程;王齐华;;超疏水表面的研究及制备[A];甘肃省化学会二十六届年会暨第八届中学化学教学经验交流会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张云;基于功能化纳米颗粒和仿生材料的生化分析新方法[D];湖南大学;2010年
2 陆军;喷雾药液在靶标植株上的沉积与润湿研究[D];江苏大学;2010年
3 孙巍;基于水滴模板法构建微纳复合功能界面的研究[D];浙江大学;2010年
4 汤威宜;新型含氟涂层材料的合成及其在棉织物上的应用[D];东华大学;2010年
5 徐壁;基于纳米结构ZnO、SiO_2的功能棉制品及新型气凝胶的制备与应用性能[D];东华大学;2010年
6 许苗军;几种材料表面微纳米复合结构的构筑与应用[D];吉林大学;2011年
7 张琰;东方蝼蛄耦合特性、运动学建模及其功能仿生研究[D];吉林大学;2011年
8 张俊秋;耦合仿生抗冲蚀功能表面试验研究与数值模拟[D];吉林大学;2011年
9 徐洪波;基于自组装单层纳米粒子构筑抗反射结构[D];吉林大学;2011年
10 梅茂飞;滴状凝结液滴生长及传热的分形分析[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 窦庆乐;铝基超疏水表面制备方法研究[D];大连理工大学;2010年
2 史立涛;超疏水表面制备及微液滴电操控研究[D];大连理工大学;2010年
3 崔晓松;基于热力学分析的超疏水表面几何优化设计[D];湘潭大学;2010年
4 齐高璨;ZnO纳米棒和荷叶状纳米结构的溶液法可控制备及其性能[D];天津理工大学;2010年
5 廖张洁;超疏水碳纳米管复合涂层的研究[D];浙江大学;2011年
6 蔡宇;静电纺制备具有自清洁能力的仿生纤维膜的研究[D];东华大学;2011年
7 庄伟;SiO_2水溶胶的制备及其对棉织物无氟拒水整理研究[D];东华大学;2011年
8 王金燕;PMMA-SiO_2、环氧树脂-SiO_2复合超疏水薄膜的制备及浸润性研究[D];河南大学;2011年
9 戈超;离心风机叶片抗冲蚀磨损仿生研究[D];吉林大学;2011年
10 李洋;构筑具有各向异性性质的纳微米仿生结构表面[D];吉林大学;2011年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 袁志庆;陈洪;汤建新;石璞;张继德;赵德坚;曾艳清;龚慧芳;付欣;;超疏水聚丙烯表面的制备及血液相容性研究[J];功能材料;2007年08期
2 陈新华,孟庆祥;超疏水固体表面的形态特征[J];许昌学院学报;2005年05期
3 徐伟箭;李海军;彭桦;彭锦阳;熊远钦;邓红霞;;RAFT聚合制备两亲性嵌段共聚物及其应用研究[J];湖南大学学报(自然科学版);2010年02期
4 王燕华;钟莲;刘圆圆;姜泉良;郭向阳;王佳;;镁基体超疏水表面制备及表征[J];腐蚀科学与防护技术;2010年04期
5 李杰;张会臣;连峰;庞连云;;基于激光加工和自组装技术硅基底超疏水表面的制备[J];功能材料;2010年09期
6 段辉;熊征蓉;汪厚植;赵惠中;高殿强;;超疏水性涂层的研究进展[J];化学工业与工程;2006年01期
7 陈云富;尹冠军;;化学刻蚀法制备铝合金基超疏水表面[J];科学技术与工程;2010年27期
8 孙德国;肖鹏;梁淑华;范志康;;元素Co对Cu/W间润湿性的影响[J];稀有金属材料与工程;2008年12期
9 盛尊友;杨晓红;肖鹏;梁淑华;范志康;;Cu-Mn合金熔体在金属W板上的润湿性[J];粉末冶金技术;2007年06期
10 殷波;方亮;唐安琼;胡佳;毛建辉;谢关才;;镁合金超疏水表面制备的研究进展[J];材料导报;2011年07期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 李梅;施政余;路庆华;;聚酰亚胺/SiO_2复合超疏水涂层的制备[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2009年
2 孔令豪;宋红霞;陈新华;杨广彬;张平余;;仿荷叶超疏水表面的制备及其摩擦学行为[A];第八届全国摩擦学大会论文集[C];2007年
3 蔡洪光;张春雨;陈斌;原宇平;董为民;张学全;;一种具有超疏水性质的聚乙烯纳米复合材料[A];2005年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2005年
4 银龙;王庆军;陈庆民;;自然与仿生荷叶表面在极端相对湿度下的超疏水性质[A];2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C];2011年
5 周晓燕;张招柱;门学虎;杨进;徐向辉;朱小涛;薛群基;;超疏水导电聚苯胺表面的制备[A];中国化学会第28届学术年会第12分会场摘要集[C];2012年
6 肖锋;野城清;;旨在观察熔融镍与固态多晶Al_2O_3润湿性的改良静滴方法评价[A];海峡两岸第二届工程材料研讨会论文集[C];2004年
7 姜程;王齐华;;超疏水表面的研究及制备[A];甘肃省化学会二十六届年会暨第八届中学化学教学经验交流会论文集[C];2009年
8 宋丽云;彭顺金;;超疏水自清洁表面研究进展[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第2分册)[C];2010年
9 康志新;;金属表面的有机镀膜及纳米薄膜的超疏水特性[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
10 殷波;方亮;胡佳;唐安琼;魏文侯;何建;;利用超疏水技术改善镁合金耐蚀性能的初步研究[A];2010中国·重庆第七届表面工程技术学术论坛暨展览会论文集[C];2010年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 科信;超疏水塑料薄膜研制成功[N];中国化工报;2004年
2 王启兵;超疏水纳米二氧化硅研制成功[N];中国化工报;2006年
3 马平东;塑料薄膜润湿性的检测[N];中国包装报;2003年
4 王平;江雷:创造“开关材料”[N];中国工业报;2010年
5 郑千里;纳米新材料实现超疏水/超亲水可逆转[N];科技日报;2004年
6 本报记者 刘洪宇;“水面直升机”蚊子的启示[N];辽宁日报;2011年
7 肖英龙;连铸保护渣碱度对超低碳钢板坯表面质量的影响[N];世界金属导报;2008年
8 ;纳米STN母液研制成功[N];科技日报;2003年
9 记者 李琮;纳米复合涂料技术取得新突破[N];中国化工报;2006年
10 刘忠奎 记者 李丽云;孔状铜网小船“水上漂”[N];科技日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李西营;液滴撞击固体壁面的实验及理论研究[D];大连理工大学;2010年
2 杨浩;超疏水/超亲油不锈钢滤网涂层的制备及表面润湿性研究[D];华南理工大学;2010年
3 李杰;镁合金及硅基底超疏水表面的制备与性能研究[D];大连海事大学;2012年
4 陈新华;铜表面仿生结构的构建及其浸润性调控[D];河南大学;2009年
5 吉海燕;表面微纳米精细结构的构建及其性能研究[D];江苏大学;2012年
6 杨周;仿生超疏水功能表面的制备及其性能研究[D];中国科学技术大学;2012年
7 叶霞;基于超疏水和流变减阻理论的仿生心脏瓣膜的基础研究[D];江苏大学;2009年
8 顾春元;石油储层微孔道纳米减阻机理研究[D];上海大学;2008年
9 赵玉顺;绝缘子超疏水涂层制备方法与防冰性能研究[D];重庆大学;2010年
10 杨昊炜;聚硅氧烷超疏水表面制备及其性能研究[D];复旦大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 于曦;特殊润湿性在单一表面上的集成[D];吉林大学;2006年
2 武玉海;超疏水表面的制备及其性能研究[D];浙江师范大学;2011年
3 江强维;超疏水涂层的制备及应用研究[D];华南理工大学;2011年
4 窦庆乐;铝基超疏水表面制备方法研究[D];大连理工大学;2010年
5 苏冬;改性环氧树脂超疏水涂层的制备、结构与性能研究[D];华南理工大学;2012年
6 田庆文;超疏水材料的制备及性能研究[D];长春理工大学;2012年
7 林玮炜;超疏水表面制备及其抗凝血性能研究[D];浙江工业大学;2010年
8 王莉;超疏水防腐蚀技术研究[D];东北石油大学;2011年
9 陈钰;仿生超疏水表面制备及性能研究[D];武汉工程大学;2012年
10 王苏浩;超疏水表面的制备及其对不同表面张力液体选择性分离的研究[D];上海交通大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026