冷凝核化过程的团簇演化机制及反射光谱特性

The underlying mechanism of initial condensation stage is an intresting and important topic for the better understanding of vapor condensation heat transfer theory. In steam condensation system, the vapor molecules aggragate togther in the form of clusters, deposite onto the condensation surface, grow up to the critical size, and finally become initial nucleis. The nucleation process can be greatly affected by the surface properties, such as wettability and microstructure. The relationship between the microstructure parameter of condensation surface and the initial condensation process is very important from both academic and practical perspectives.In the present study,the clustering physical condensation model will be introduced into vapor condensation system, and the effect of surface structure to the evolution of clusters and micro droplets during the initial vapor condensation process will be investigated by the combination of thermodynamic model analysis,numerical simulation and the application of reflectance spectrum analysis.The relationship between surface properties and reflectance spectrum will be investigated first to estabilish a mathematical model to evaluate the distribution of clusters and initial droplets on the condensation surface. By the application of thermodynamic model analysis and numerical simulation, the evolution of clusters/droplets size distribution will be calculated. And the predicted therotical results will be compared with that from the reflectance spectrum experiments. Later, reflectance spectrum experiments will be conducted on various condensation surfaces with different microstructures to investigate the relationship between microstructure and nucleation process. Finally, the effect of surface microstructure on the nucleation and heat transfer process is studied in order to explore the new mechanism of heat transfer enhancement.

探索壁面凝结系统中，蒸汽分子靠近具有特定微观结构的冷凝壁面、聚集形成团簇体、核化形成初始液滴并开始生长的微观过程机制，是研究壁面微观结构影响凝结换热过程机理的钥匙，也是完善凝结基础理论的重要组成部分。项目拟通过凝结过程壁面反射光谱的理论分析和实验研究，结合热力学分析和数值模拟，进一步定量描述蒸汽分子团聚成核的初始冷凝物理图景，并揭示壁面微观结构影响冷凝成核过程的微观机制。研究中，建立结构表面凝聚相分布特征与反射光谱特征关联模型，通过初始冷凝过程反射光谱演化实验数据对冷凝过程中的团簇及微小液滴分布特征进行分析；通过热力学模型计算和数值模拟，获得特定条件下的团簇尺寸分布理论预测值，并与反射光谱分析结果对比，从而定量描述初始冷凝阶段团簇及微小液滴的尺寸分布及演化特征；在此基础上，通过壁面反射光谱特性实验分析壁面微观结构对核化过程的影响，以及由此产生的对冷凝传热过程的影响，探索传热强化的新机制。

冷凝成核过程，团簇和初始液滴演化过程尺度为纳米量级，其微观机制的研究较为困难而缺乏。项目借助反射、红外和散射光谱等光学分析方法，结合分子动力学模拟，以及瞬态团簇尺寸分布和成核速率模型的改进，揭示了界面能量和结构效应对团簇生长速率、核化位点空间分布以及初始液滴润湿形态等的影响，在此基础上获得通过微观结构实现气相分子团簇的快速核化、液滴润湿模式调控和液滴输运的作用机制。. 研究揭示了凝结过程水分子首先在近壁面形成团簇的物理机制，发现并测量了一定壁面物理化学结构及工艺条件下近壁区团簇的分布特征，及壁面结构影响团簇成核的规律，丰富了凝结过程的微观机制和理论；此外，团簇具有近壁富集特性，离开壁面发生泯灭，15 K过冷度下近壁面气相水分子团簇的寿命约为0.1毫秒，同时还发现气相悬浮颗粒，或气相中的过饱和等因素，也将影响均相/非均相的团簇核化特性，这些为雾霾理论或除尘技术等提供理论支持。此外，研究表明团簇影响成核，进而影响成核后微小液滴分布演化特性，团簇及微小液滴尺寸分布(CSD)迅速从单调递减式分布向单峰分布转变，并呈现近似正态分布特征，并且通过改变壁面能量分布，如亲疏水分割表面以及含高能颗粒的混合表面，可以对成核位点空间分布和核化点密度进行调控，这为功能调控表面设计提供理论支持。. 对于壁面特征对团簇，以及成核与小液滴演化影响的研究，表明了沟穴和沟槽结构有效降低液滴形成过程所需克服的Gibbs自由能垒，某些微纳米结构甚至有效促进团簇向成核液滴的转化。加上一些表面结构对小液滴演化和迁移过程的影响规律的研究结果，为多尺度凝结过程调控提供理论支持，相关的实验现象和物理机制还可应用于润湿模式和微系统中的液滴调控等领域。.项目研究很好完成了任务书所列研究内容，并发表相关论文15篇，培养/联合培养硕士研究生7名，博士研究生3名，发表专利3篇。