微振荡剪切作用下仿生超疏水表面水滴动力学特性研究

Dropwise condensation using bio-mimetic super-hydrophobic surfaces will significantly improve equipments performance, saving energy and raw materials in petrochemical, power, aerospace and other fields. Inspired by the following bionics facts: micro- and nano-scale protrusions on the surface of the lotus leaf make it become super-hydrophobic material; while the wind provides a shear force to the water droplets by swinging the lotus leaf, so that the water droplets on the surface can quickly fall off. This project intends to incorporate micro oscillatory shear, i.e. transverse micro-vibration of the bionic super-hydrophobic surface, into the enhanced dropwise condensation using bio-mimetic super-hydrophobic surface. By preparing bionic super-hydrophobic surfaces with different surface microstructures, the researchers attempt to study the wetting characteristics of water droplets on these surfaces driven by micro-oscillatory shear, and explore the dynamic wetting characteristics of water droplets on several typical bionic super-hydrophobic surfaces, Wenzel-Cassie transition mechanism, dynamic characteristics of droplets on superhydrophobic surfaces---migration, aggregation and bouncing, as well as effects of rough surface microstructure and oscillatory shear characteristic parameters on the wetting characteristics. The ultimate purpose is to lay the theoretical foundation of designing bio-mimetic super-hydrophobic surfaces which can be truly used in industries.

利用仿生超疏水性表面实现滴状冷凝传热，将会对石化、动力、航天等领域提高设备性能、节约能源以及原材料产生重要意义。基于如下的仿生学启发：荷叶因为表面有着微纳米尺度的突起而成为超疏水材料；而荷叶的随风摆动又恰好给冷凝其上的水滴提供剪切驱动力，使得荷叶表面的水滴可以快速脱落。本项目拟将微振荡剪切，亦即仿生超疏水表面的横向微振动，引入到仿生超疏水表面强化滴状冷凝研究中: 拟制备不同表面微观结构的仿生超疏水表面，通过对微振荡剪切作用下不同性质水滴在其表面的润湿及动力学特性进行研究，探讨水滴在典型结构仿生超疏水表面的动态润湿特性、Wenzel-Cassie状态转变机理，水滴在超疏水表面的迁移、聚合、弹跳等动力学特性，以及粗糙表面微观结构和振荡剪切特征参数对水滴润湿转变特性的影响，为滴状冷凝工业用仿生超疏水表面的设计和最终应用奠定理论基础。

围绕仿生纳米结构表面的润湿特性以及动力学行为，本研究在如下方面取得进展：1）振动基底下超疏水表面的凝霜和抑霜实验研究表明，仅凭垂直的低频振动不能使超疏水表面达到除霜效果。然而在化霜期间，通过给定表面一个倾斜角度，可以加速化霜，并使得霜融化形成的水珠在振动激励下迅速滚落。 2）利用非局部弹性理论研究了作为振动基底的纳米薄板的动力学特性，研究结果表明，纳米小尺度参数的存在使得纳米结构的刚度、挠度、固有频率以及稳定性有别于传统连续模型的预测，纳米尺度下的液固耦合存在显著的尺度效应。3）针对具备冷凝液滴自弹跳功能的纳米锥结构表面，建立了单个液滴的冷凝传热模型，研究了液滴的两种生长模式：恒定接触角模式（CCA）和恒定底面积模式（CB），得出了液滴按照这两种模式生长的数学模型，进而分析影响冷凝液滴生长模式的影响因素。发现液滴生长率与液滴固有属性及纳米锥结构参数密切相关，而且各参数对于两种生长模式的影响不完全相同。液滴按照CCA模式生长时，其半径生长速率和纳米锥热导率与尖端尺寸呈正相关，且接触角对其影响最大。当液滴按照CB模式生长时，接触角生长速率同样与纳米锥间距和尖端尺寸呈正相关，接触角对其影响最大。综合冷凝液滴的两种生长模式，可以得出接触角对液滴生长的影响最为显著。4）针对冷凝液滴自弹跳功能的纳米锥结构表面，综合考虑单液滴传热模型，冷凝液滴尺寸分布，润湿形态和液滴动力学，提出了一种纳米结构超疏水表面上滴状冷凝换热模型。基于该模型研究了纳米锥结构的热物理性质和几何形状对冷凝换热系数的影响，并进行了影响因子灵敏度分析。结果表明纳米锥热导率越高，滴状冷凝换热性能越好，而其他参数，如纳米锥高度，尖端尺寸和纳米锥间距对冷凝换热系数的影响则是协同作用的。存在一个特定的几何尺寸范围和最佳组合可以用来增强冷凝传热性能，单纯强调表面的超疏水性能是不够的。上述结论可为滴状冷凝工业用纳米结构表面设计提供理论指导。