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纳米流体液滴蒸发过程及颗粒沉积图案的研究

马晓燕  
【摘要】:纳米流体液滴蒸发由于它在表面涂层、液体喷雾、表面图案结构等方面的广泛应用,目前得到广泛的关注,被视为一种潜力巨大的新型工质。液滴蒸发现象在自然界和人类活动中普遍存在,看似简单的蒸发过程实际包含了复杂的传热传质过程,纳米流体由于在导热性方面的优越性能使其在众多领域有应用,如高集成度微型化电子产品的超高冷却技术。然而伴随液滴蒸发又产生一系列诸如流动阻力增大、颗粒沉积阻塞等新的问题,因此弄清纳米流体液滴蒸发的机理及内部流动形式有重要的研究意义。本文主要研究了去离子水为基液的氧化铝纳米流体(Al_2O_3-H_2O)液滴蒸发行为。包括不同粒径种类(10nm,50nm,100nm)、不同质量浓度(0.05%,0.2%,1%)的纳米颗粒在不同材质底板上(铜片、铁片、玻璃片)并改变底板温度条件(30℃,40℃,50℃,60℃)下的蒸发现象。包括纯液滴及不同浓度的纳米流体液滴在蒸发过程中接触角和三相线随时间的变化曲线,跟踪拍摄了液滴在整个蒸发过程中的轮廓变化情况。同时与未添加纳米颗粒的纯基液即去离子水在相同条件下的蒸发行为作比较,得出纳米流体液滴的蒸发模式,以及纳米颗粒的加入对蒸发机制的影响。在纳米流体蒸发结束后,用显微镜对底板沉积图案加以观察和分析,得到三种主要的沉积图案形式,并计算了马兰格尼数,结合颗粒沉积图案的变化推测液滴内部的流动模式。实验的主要结论如下:一、纳米流体颗粒分布与其标示值不完全一致,而是在标示值的一定范围内有所波动,纳米流体颗粒的团聚会使部分粒径达到微米量级。三种底板的粗糙度都是纳米量级的。且底板粗糙度值由大到小依次为铁板、铜板和玻璃板。二、液滴蒸发的实验结果表明,底板的表面性质,如粗糙度,亲水性都会对影响液滴的蒸发模式。在粗糙度较大的铁板上,会出现较多次数的粘滑运动,而相对光滑的玻璃底板上,液滴更趋向于三相线固着模式的蒸发。纳米颗粒的加入会改变底板特性从而使蒸发模式有所变化,纳米颗粒的沉积使液滴固着现象更加明显。对于亲水性底板材料,平衡接触角大幅小于疏水底板值。随温度的升高,平衡接触角整体是呈下降的趋势,较高的温度使边缘处的液滴受到更大的毛细力,强化了液滴的铺展。三、液滴蒸干后沉积图案的影响因素包括底板温度、颗粒粒径、纳米流体浓度等参数。实验中大致观察到四种沉积图案,分别是咖啡圈型图案、同心圆型图案、均匀型图案和咖啡圈内嵌中心沉积型图案。根据实验结果计算马兰格尼数及其变化趋势可以较好的解释液滴沉积图案的模式及其内部流动形式的变化。


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