表面微纳结构与跨尺度液滴多场耦合演化行为的相互关系及其调控

基本信息
批准号:51476084
项目类别:面上项目
资助金额:83.00
负责人:吴晓敏
学科分类:
依托单位:清华大学
批准年份:2014
结题年份:2018
起止时间:2015-01-01 - 2018-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:朱禹,朱毅,胡珊,褚福强,宋阳,陈永根,马强
关键词:
跨尺度液滴演化传热传质多场耦合超疏水表面
结项摘要

Frosting control by super-hydrophobic surface with micro-nanostructure is an international research hotspot. However, the previous studies paid less attention to the dynamic behaviors and evolution mechanism of across-scales water droplets (water vapor molecule cluster, nanoscale critical liquid embryo, macroscale subcooled water droplet) on solid surfaces before the appearance of frost crystals. Such behaviors and mechanism are not only related to the surface micro-nanostructure and surface energy, but also affected by the coupling effect of multi-fields including the water vapor concentration and temperature fields and the gravitational field. This is also the common fundamental problem with the dehumidification and droplet condensation. The present project will pursue the research by combining the experimental measurement, theoretical analysis and molecular dynamic simulation, study and prepare surfaces with micro and nano hierarchical structures using the polymer and micro/nano machining technology, research and analyze the effects of the surface micro-nanostructure and chemical components, the water vapor concentration and temperature fields and the gravitational field on the dynamic behaviors of across-scales water droplets on the solid surface as well as the multi-fields coupling effect, realize the controls of the multi-fields coupling and the evaluation behaviors of the across-scales water droplets on the solid surface by optimizing and synergizing the surface micro and nano hierarchical structures and chemical components, so as to provide a theoretical guide for effective frosting control and dehumidification and condensation enhancements. The present research involves the intersection and integration of multi-disciplines theories, the execution of the project will promote the formation and development of new academic growing points among inter-disciplines, and consequently push forward the formation and development of across-disciplines meso-scale science.

微纳结构超疏水表面的抑制结霜是国际研究热点,但既往研究疏于对霜晶出现前壁面上跨尺度液滴(水蒸气分子簇、纳米级临界液核、宏观尺度过冷液滴)动态行为及演化机制的研究,相关行为与机制不仅与表面微纳结构及表面能相关,而且还受制于水蒸气浓度场、温度场及重力场等的多场耦合作用,这也是除湿及珠状冷凝中的共性基础问题。本项目采用实验研究、理论分析及分子动力学模拟相结合的研究方法,利用高分子及微纳米加工技术等研制微纳结构表面;在揭示表面微纳结构和化学成分、水蒸气浓度场、温度场及重力场等对表面上跨尺度液滴动态行为的影响机制及多场耦合规律的基础上;通过优化协同表面微纳结构及化学成分等,以期实现对表面上跨尺度液滴多场耦合演化行为的调控,从而为抑制结霜、强化除湿及冷凝效果提供理论指导。本项目研究涉及多学科理论的交叉融合,项目的开展将促进交叉学科间新学术生长点的形成和发展,并推动跨学科介尺度科学的形成与发展。

项目摘要

微纳结构超疏水表面在抑制结霜/覆冰、自清洁、减阻、除湿及珠状冷凝等方面非常好的应用前景。微纳结构超疏水表面上的液滴动态演化行为及机理是国际研究热点。本项目采用实验研究、理论分析及数值模拟相结合的方法,研制微纳结构超疏水面,研究微纳结构超疏水表面上冷凝液滴及融霜液滴的动态演化行为及其机理,旨在揭示其物理机理,理解其表面微纳结构与润湿性的关系,为有效抑制结霜、强化除湿及冷凝等提供理论指导。取得的重要结果主要有:研发了一种金属基超疏水表面制备方法,化学沉积-刻蚀法,制备了铝基和铜基超疏水表面,其中铝基超疏水表面具有“花朵状”微纳多级结构,其静态接触角可高达165º、接触角滞后仅为4º;发现了微纳结构超疏水表面上冷凝液滴的自推进扫掠动态行为,阐明了液滴扫掠和液滴弹跳对液滴群生长的影响规律;发现了超疏水表面上冻结液滴融化过程中的旋转、跳跃和滑移等自推进动态行为,以及融霜过程中液膜的边缘卷曲和链式液滴不断裂现象,揭示了边缘卷曲现象的发生机制,提出了链式液滴的断裂判据。构建了液滴行为-表面润湿性区域图。提出了一个新无量纲数:Hysteresis数,量化了接触角滞后相对于静态接触角的重要程度,可用于液滴与表面相互作用现象的分析,完善了润湿理论。提出了表面润湿状态非自发转变的中间区,推导了该区的润湿状态方程,引入了临界接触角,充实和完善了表面液滴润湿状态区间的划分和表征,对于了解液滴润湿状态的转变机制、完善润湿理论具有重要的学术意义。本项目主要研究结果在国际知名期刊ACS Appl. Mater. Interfaces, Langmuir, Appl. Phys. Lett., Int. J. Heat Mass Transfer, Appl. Surf. Sci., Appl. Therm. Eng.等已发表SCI论文14篇,在Web of Science数据库被引用135次。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

演化经济地理学视角下的产业结构演替与分叉研究评述

DOI:10.15957/j.cnki.jjdl.2016.12.031
发表时间:2016
2

跨社交网络用户对齐技术综述

跨社交网络用户对齐技术综述

DOI:10.12198/j.issn.1673 − 159X.3895
发表时间:2021
3

农超对接模式中利益分配问题研究

农超对接模式中利益分配问题研究

DOI:10.16517/j.cnki.cn12-1034/f.2015.03.030
发表时间:2015
4

温和条件下柱前标记-高效液相色谱-质谱法测定枸杞多糖中单糖组成

温和条件下柱前标记-高效液相色谱-质谱法测定枸杞多糖中单糖组成

DOI:10.3724/ SP.J.1123.2019.04013
发表时间:2019
5

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

小跨高比钢板- 混凝土组合连梁抗剪承载力计算方法研究

DOI:10.19701/j.jzjg.2015.15.012
发表时间:2015

吴晓敏的其他基金

批准号:50476011
批准年份:2004
资助金额:22.00
项目类别:面上项目
批准号:31500594
批准年份:2015
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目

相似国自然基金

1

多场耦合下磁流变液特性的微结构机理及跨尺度分析

批准号:10872220
批准年份:2008
负责人:彭向和
学科分类:A0801
资助金额:40.00
项目类别:面上项目
2

多场耦合条件下微纳尺度结构材料的变形特性与机理研究

批准号:51231005
批准年份:2012
负责人:单智伟
学科分类:E0104
资助金额:285.00
项目类别:重点项目
3

光热作用下含表面活性剂的微液滴行为机理及多场耦合数值方法研究

批准号:51906206
批准年份:2019
负责人:巴燕
学科分类:E0603
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
4

多场作用下细颗粒物在液滴表面沉积行为的研究

批准号:51576109
批准年份:2015
负责人:宋蔷
学科分类:E0604
资助金额:64.00
项目类别:面上项目