基于润湿梯度与形状梯度协同驱动的铜沟槽内液滴移动行为及其促进滴状冷凝快速排液的机理研究

Drop-wise condensation is usually preferred over film-wise condensation for the higher rate of heat transfer. The fast departure of droplets from the condensing surface to allow frequent exposure of free condensing surface to the vapor phase plays a key role in the process of drop-wise condensation. This project will study the behaviour of droplets self-motion in an open groove channel with wettability gradient and shape gradient and the mechanism of fast removal of droplets during dropwise condensation on an array of such grooves surface of copper substrate. Based on the analysis of differences in droplet moving on a plane surface and in an open groove driven by wettabiity gradient, the project will further discuss how to minimize the resistance to the droplets moving by simultaneously controlling both the density and morphology of Cu(OH)2 or CuO hierarchical structure and the gradients range on copper surface. The related theory and mathematical model will be established to describe the droplets moving velocity in grooves and the heat transfer enhancement due to the wetting gradient and shape gradient. The results may be of great significance for areas in micro-fluidics, droplets manipulation, phsae change heat transfer and micro chemical engineering.

滴状冷凝的换热效率远高于膜状冷凝，将凝结液滴快速移除以暴露出新的冷凝表面，是实现稳定滴状冷凝过程的关键。本项目研究液滴在同时具有润湿梯度和形状梯度沟槽内的自发定向移动行为，以及在相应铜沟槽阵列表面上的滴状冷凝现象和快速排液机制。研究如何通过调控铜沟槽表面的氢氧化铜或氧化铜等晶须密度变化和形貌变化，并配合合理的润湿梯度范围，使液滴在沟槽中处于“微悬浮”状态来减少液滴移动后期的滞后阻力且易于脱除，但同时又能保持较大的移动推动力。阐明液滴在润湿梯度沟槽中与平面上自发移动行为的异同点，揭示沟槽中基于表面能梯度、沟槽附加毛细力以及形状梯度沟槽产生的Laplace压力梯度协同推动的液滴移动机理，建立润湿梯度与形状梯度共存的沟槽阵列强化滴状冷凝换热过程的相关理论。由于无需外部机械推动力，有关液滴在润湿梯度和形状梯度沟槽内的自发运动机理对微液滴操控、相变换热和微化工等领域的发展具有重要的学术和应用价值。

液滴在固体表面的快速自发移动是强化滴状冷凝、雾气收集和表面微混合等过程的关键。本项目采用碱辅助氧化法、置换反应沉银等方法，在铜片、铜沟槽以及具有形状梯度的铜表面（楔形铜表面、锥形铜丝、变径铜沟槽、锥形铜丝嵌入铜沟槽）构建了稳定的润湿性梯度，SEM和XRD表明其表面形貌微结构分别为针状氢氧化铜和球状银粒子。研究了液滴在润湿梯度和形状梯度（或两者共存）等表面力驱动下的自发定向移动行为规律和影响因素，发现水滴在嵌有亲水润湿梯度（80°~3°）锥形铜丝的疏水润湿梯度（155°~105°）沟槽中的自发移动速度最快（25.7 mm/s），移动距离最远（25.4 mm）；双组分混合液滴（丙二醇-水）在叠加润湿梯度（64.6 °~18.6°）的楔形铜片上的移动距离亦可达到20.1 mm，表明润湿梯度与形状梯度复合表面可实现液滴的无钉扎快速长距离自发移动。T形自驱动表面混合装置中的液滴自混合与脱除实验表明，只有楔形形状梯度的传递区会使混合液滴黏附于混合区外围，只有润湿梯度的传递区不能使混合液滴移出混合区（停留在混合区内），而具有润湿梯度与形状梯度共存复合表面的传递区，则可将混合液滴完全移出混合区并通过传递区移走。不同润湿性铜沟槽阵列表面上的滴状冷凝实验表明，亲水润湿梯度（80°~3°）锥形铜丝嵌入疏水润湿梯度（155°~105°）沟槽的复合铜沟槽阵列表面比参考表面（未处理的89°铜沟槽阵列表面）的冷凝集水量提高了约3.6倍。在此基础上，建立了液滴和连续流体在润湿梯度表面及沟槽中的运动理论模型。相关成果对微液滴操控、相变换热强化、微化工、雾气收集和油水分离等领域有重要的学术和应用价值。