微纳结构与液核分布耦合作用下滴状冷凝传热机理研究

The phase-change heat transfer of dropwise condensation is the best for condenser among the different modes of heat transfer. the studied scale of the surface materials of the condenser has transferred from macroscopic to microscopic. Some new hydrophobic condensing materials with micro/nano structures have been developed and tried on in labs. Up to now, The wetting state of droplets and droplet-size distribution on condensing surface are two main factors to influence the heat transfer ability of the condensing materials with micro/nano structures. However, it is still not well understood how the heat transfer influenced by the two factors on which further investigation therefore is necessary. This project firstly will present the influence of the micro/nano structure and nucleation distribution on the wetting state of droplets. We will determine the wetting state of droplets correlated with the surface geometrical parameters and nucleation positions. Then, on 3-dimension meshes constructed according to the condensing materials with micro/nano structure, the process of droplet growth will be simulated by using dynamic grid and parallel algorithm. We will investigate the influence of the wetting state of droplets and droplet-size distribution on heat transfer, and calculate the heat transfer rate of dropwise condensation. The project is very beneficial to scientifically provide a method to evaluate the heat transfer efficiency and to design more powerful condensing materials.

在冷凝器表面的各种传热方式中，滴状冷凝相变传热最为高效。滴状冷凝的研究已经从宏观尺寸过渡到微观尺寸，许多新型微纳结构疏水冷凝材料正处于试验当中。目前，制约微纳结构冷凝材料的传热效率主要有两个因素：液滴润湿状态和液滴尺寸分布。两者影响滴状冷凝的传热机理目前仍不明确，有待深入研究。本课题拟首先研究微纳结构和液核分布的耦合作用对液滴润湿状态的影响，确定液滴润湿状态与表面几何参数和液核空间位置之间的关系。其次，构建微纳结构疏水表面的三维网络，采用动态网格和并行算法，模拟微纳结构疏水表面的液滴生长过程，研究液滴润湿状态对液滴尺寸分布以及滴状冷凝传热的影响，计算表面滴状冷凝的热流密度。通过本项目的研究，针对微纳结构疏水冷凝材料提出评价其传热效果的科学方法，为研制高效冷凝材料奠定理论基础。

在冷凝器的各种传热方式中，滴状冷凝相变传热方式最为高效，其传热效果远优于传统的膜状冷凝相变传热方式。随着微纳米材料制备技术的进步，滴状冷凝的研究已经从毫米尺寸延伸到纳米尺寸，对于模拟3个量级以上尺寸范围内的液滴生长过程需要更加高效的算法。为了对微纳米结构疏水冷凝材料的实验研究提供科学指导，对于微纳米结构材料表面冷凝机理的理论和模拟研究越发重要.本项目结合Fortran和Matlab软件首先开发了一套高效的液滴生长过程模拟程序，并实现了可视化。与以往算法区别的核心是将冷凝表面进行动态网格划分。模拟结果证实了实验测量过程中发现的3种液滴尺寸分布特征，进一步揭示了稳态生长阶段液滴生长过程具有多峰传递和合并的动态演化特征。研究结果还表明表面成核密度的空间分布对液滴尺寸分布特征具有显著的影响，与传统的幂律分布特征相比，微纳米结构表面的液滴尺寸分布并不一定呈现幂律特征。因此，对于微纳米结构表面传热效果的预测依然利用传统的幂律分布模型是不合理的。其次，研究了液滴接触角对液滴尺寸分布以及滴状冷凝热流密度的影响，根据模拟结果发现，在冷凝表面发生液滴成核和生长开始的短暂时间内，热流密度并不是随着接触角增大而增大。本项目的研究为微纳米结构冷凝材料提供了评价其传热效果的科学方法，为研制高效冷凝材料奠定理论基础。