微振动诱导织构化梯度能表面冷凝液滴的迁移和可控驱动机制研究

In the present study of dropwise condensation achieved by surface modification, condensation droplets fall off naturally under gravity, because the viscosity of droplets formed by steam condensation in the Wenzel state is relatively high, resulting in the large departure diameters of droplets. Consequently, the efficiency of condensation heat transfer especially in the low-load condition cannot be improved significantly. Thus, we propose a plan based on textured surfaces with wettability gradient combined with micro vibration to solve the problem in this application. By applying the micro-vibration on these textured surfaces, the rapid migration of condensation droplets will take place. Moreover, in order to control the migration direction and velocity of condensate droplets, the microstructure and topography properties on textured surfaces are designed and characteristic parameters of the micro-vibration are adjusted appropriately. Theoretically, the analysis on migration characteristics of droplets on textured surfaces with wettability gradient is based on the surface physical chemistry theory, droplet dynamics and vibration mechanics. The impacts of the wetting performance of droplets and the topological structures of textured surfaces on the migration direction and velocity of the droplets are discussed by means of mechanism analysis and experimental research. The challenge and key difficulty of this project is to explore the relationship between the characteristic parameters of the vibration, the physical properties of droplets, the topological structures of surfaces, and the direction and velocity of the droplet migration. The successful implementation of this project will be advantageous to the optimal utilization of condensing equipments and the energy conservation techniques in petrochemical industry, power generation, aerospace power field, and so on.

目前采用表面改性等技术实现滴状冷凝的研究中，液滴都是在重力作用下自然脱落，由于蒸汽冷凝形成的Wenzel状态液滴“粘性”很强，使得冷凝液滴的脱落尺寸往往较大，导致其冷凝传热性能，尤其在低负荷工况时并不能得到大幅提高。为此，本申请试图将微振动和织构化梯度能表面相结合，通过对表面施加微振动，诱导冷凝液滴快速迁移来考查这一问题，并尝试通过织构化表面微观拓扑设计以及微振动特征参数调节控制冷凝液滴的迁移方向和速度。为此，申请者从表面物理化学理论出发，将液滴动力学和振动力学结合起来，对织构化表面液滴的迁移特性展开研究。运用机理分析和实验研究，探讨液滴浸润状态和表面拓扑结构对液滴迁移方向和速度的影响机制等问题。这一课题的难点和关键问题在于探求振动特征参数、液滴物性、表面拓扑结构以及液滴迁移方向和速度之间的内在联系。项目的成功实施，将对石化、动力、航天等领域优化利用冷凝设备、节约能源产生积极影响。

操控液滴运动在强化传热、MEMS、射流冷却、防输电线路或机翼结冰等许多领域具有重要的应用。因此，研究液滴操控的方法和机理对相关领域的发展具有十分重要的意义。在冷凝传热领域，尽管采用表面改性等技术可以实现滴状冷凝，然而由于液滴是在重力作用下自然脱落，因此需要生长到一定尺寸后才能克服其与冷凝壁面的黏附力，导致液滴的脱落尺寸很大，使其冷凝传热性能并不能得到大幅提高，尤其在低蒸汽负荷时尤为显著。因此，研究促使液滴快速迁移的方法就显得十分重要。本课题将机械微振动和织构化梯度能表面相结合，通过对表面施加微振动，诱导冷凝液滴快速迁移来探讨了这一问题。课题首先制备了具有不同拓扑形式的织构化表面，对表面液滴的浸润特性进行了研究，分析了表面梯度能对液滴形态、三相接触线以及接触角和接触角滞后等特征影响。在此基础上，通过构建不同表面自由能梯度表面，探讨了驱动液滴运动的最佳表面自由能梯度。第二，通过实验分析了振动液滴在不同织构化表面的动态行为特征，发现振动液滴在不同的织构化表面具有原地伸缩、跳跃以及定向迁移等多种行为模式，也就是说，织构化表面的拓扑形式对液滴的动态行为具有重要的影响。第三，课题就振动液滴定向迁移特征进行了研究，分析了振动特征参数对液滴定向迁移特征的影响，并着重探讨了共振条件下液滴的迁移特征。最后，课题从表面物理化学理论出发，将液滴动力学和振动力学结合起来，对织构化表面液滴的定向迁移机理进行了研究，获得了液滴在表面迁移的物理模型，并运用该模型对影响液滴的因素进行了分析，获得了振动特征参数、液滴物性、表面拓扑结构以及液滴迁移方向和速度之间的内在作用机制。本课题的成功实施，将对能源、动力、航天以及微机电系统等领域产品设计、设备优化以及节约能源产生积极影响。