梯度表面能材料表面液滴形貌的數(shù)值模擬.pdf

1、在大力提倡節(jié)能的今天，沸騰和凝結(jié)換熱作為最有效的換熱方式之一得到人們廣泛的關(guān)注，研究開(kāi)發(fā)新型的冷凝表面材料成為當(dāng)今世界的前沿?zé)狳c(diǎn)課題。梯度表面能材料表面上的液滴自遷移特性，提供了重力以外的排除凝結(jié)液滴的方式，對(duì)于水平表面或其它失重狀態(tài)下的表面，能夠及時(shí)排除凝結(jié)液滴，有效促進(jìn)凝結(jié)換熱系數(shù)的提高。 在實(shí)驗(yàn)中觀察到，體積較小的液滴在梯度表面能材料表面上可以保持靜止?fàn)顟B(tài)，而且在表面的不同位置處呈現(xiàn)出不同的形貌。在工程實(shí)踐中，液滴的形貌是

2、反映凝結(jié)表面性能的一個(gè)重要參數(shù)，國(guó)內(nèi)外已有大量的學(xué)者對(duì)此做了實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算，但僅局限于均質(zhì)表面。本文對(duì)梯度表面能材料表面上液滴所處的氣、液、固三相孤立系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)的總勢(shì)能方程，由熱力學(xué)第二定律得到液滴處于平衡狀態(tài)的充要條件為系統(tǒng)內(nèi)機(jī)械能最小，以此為基礎(chǔ)建立有限元算法，求解總勢(shì)能的最小值。對(duì)水平均質(zhì)表面、水平梯度表面、傾斜均質(zhì)表面和傾斜梯度表面上的液滴形貌做了數(shù)值模擬，并探討影響液滴形貌的主要因素及其影響規(guī)律，為梯度

3、表面上液滴運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究和凝結(jié)換熱表面的實(shí)際應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文的主要結(jié)論如下： 1．水平均質(zhì)表面上的液滴呈對(duì)稱的回轉(zhuǎn)體分布，液滴的三相接觸線呈圓形分布。接觸角是決定液滴形貌的主要參數(shù)，接觸角越大，液滴的液高越高，固液接觸面積越小。 2．在同一水平梯度表面上的不同位置處，液滴呈現(xiàn)出不同的形貌。在型線的兩個(gè)端點(diǎn)處，接觸角分別為最大值和最小值。在表面上從憎水側(cè)向親水側(cè)過(guò)渡的過(guò)程中，液滴的型

4、線逐漸被拉伸，高度不斷降低。三相接觸線向著接觸角減小的方向不斷延展，液滴的跨度不斷增大，潤(rùn)濕效果越來(lái)越好。 3．在水平梯度表面上的同一位置處，表面能梯度越大，液滴延展得越好，液滴跨度也越大。當(dāng)液滴的中心接觸角小于35°時(shí)，表面能梯度對(duì)液滴的延展己無(wú)明顯影響。 4．在水平梯度表面上，隨著重力作用的加強(qiáng)，液滴的延展和變形加劇。 5．傾斜均質(zhì)表面上的液滴由于重力的影響不再呈對(duì)稱分布，液滴向著斜面底部方向延展，前沿接觸角