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高温非对称结构表面液滴定向输运实验研究

孙宽  
【摘要】:实现高温固体表面液滴的定向输运在传热、微流控以及减阻等领域具有广阔的应用前景。研究发现,当表面温度超过某一值时,液滴将悬浮在蒸发所产生的蒸汽层上,而不与表面直接接触,这被称为Leidenfrost效应,对应的温度被称为Leidenfrost温度。现有研究主要通过设计复杂微结构表面引导气流定向扩散以实现高温表面液滴的定向输运。然而,现有研究中高温表面液滴的定向输运速度通常为10~20 cm/s,难以满足实际的工业需求。此外,复杂微结构的加工通常耗时较长且过程复杂,无法满足工业生产对于大规模制备的需求。因此,本文设计了三种具有快速定向输运功能的非对称结构,采用线切割和激光加工技术实现样品的快速制备,并对高温下液滴在其上定向输运的特性进行研究,具体工作如下:首先,结合线切割技术在多种金属表面加工出平面样品,并在高温样品表面开展液滴的定向输运实验。结果表明,液滴在高温平面样品表面能够自发地定向输运,且其定向输运速度随液滴韦伯数的增大而增大。进一步研究发现,由于线切割加工时电极丝的放电作用,自发地在样品表面生成了首尾相连的鳞片状结构。该结构能够引导气流定向逃逸,从而拖拽液滴定向输运。在此基础上使用线切割技术在304不锈钢表面加工出复合锯齿状结构。实验发现,在相同几何参数下,液滴在复合锯齿结构表面具有远高于在单尺度锯齿结构表面的定向输运速度,且此速度随表面温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,最高可达38 cm/s。此外,液滴定向输运速度随锯齿结构倾角的增大而增大。最后通过力学建模定性解释了复合锯齿结构强化液滴定向输运的机理。其次,为实现韦伯数较大液滴的定向输运,使用激光高效地在304不锈钢表面构筑两个相邻且具有不同尺寸和间距的类蛋托微阵列结构,测量发现两个区域具有不同的表面粗糙度。高温样品表面液滴的碰撞实验结果表明,当液滴撞击两个区域的分界处时,会自发地朝着表面粗糙度较大的区域定向弹跳。此外,液滴碰撞后定向弹跳的距离随温度和韦伯数的增加呈现先增大后减小的趋势。进一步研究发现,当液滴碰撞在两个区域的分界处时,由于相邻两区域的Leidenfrost温度不同,液滴两部分将分别处于过渡沸腾和膜态沸腾状态,由此产生的非对称杨氏力是驱动液滴定向弹跳的主要原因。本文对高温条件下液滴定向输运功能表面的设计具有重要参考价值。


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