复杂流体在纳米微结构表面上的湿润动力学与相变研究

本课题针对目前复杂流体在理想表面、纳米微结构表面和多孔表面动态湿润与蒸发相变研究还少见报道的现状，将选择几类典型的有工程应用背景的复杂流体，包括幂指流体、准幂指流体、法向应力流体和粘弹性流体等，重点开展其在理想表面、纳米微结构表面和多孔表面上的湿润动力学研究，从动态接触角和铺展定律测试入手，积累和完善相关的基础数据，深入分析固体微结构与接触线附近复杂流体分子的作用机理；再此基础上进一步考虑传热效应，开展复杂流体液滴在加热理想表面、纳米微结构表面和多孔表面上的蒸发与铺展研究，揭示复杂流体在加热理想表面、纳米微结构表面和多孔表面上的蒸发与铺展规律，建立复杂流体在上述表面上的蒸发与铺展通用预测模型。

本课题系统研究了复杂流体（流体成分复杂或流变性复杂的流体）的动态湿润及相变规律。共发表论文23篇，其中SCI检索论文18篇，EI检索论文19篇（含双检索）。在以下6方面取得较大进展。(1)揭示了宏观流动结构对复杂流体湿润动力学的影响：针对自然界中两种最典型的受迫浸润和自然铺展过程，实验研究了牛顿流体和非牛顿流体的湿润规律，原创性发现非牛顿流体的动态接触角-接触线移动速度关系密切依赖于宏观流动结构，澄清了过去认为流体动态湿润过程不依赖于宏观流动结构的错误观点。(2)建立了复杂流体湿润动力学的微观分子运动模型：借助动态湿润过程可看做是流体分子在三相接触线局部区域的固体壁面上吸附和解附的物理图像，将复杂流体视为由两种或两种以上的湿润组元组成，利用分子运动论建立了复杂流体在固体表面上的动态铺展模型，从微观层面揭示了复杂流体动态湿润及接触线移动的物理机制。(3)建立了复杂流体铺展动力学的宏观流体力学模型：通过考虑接触线局部区域的分子耗散、前驱膜耗散以及液滴内部的粘性耗散，利用能量平衡法从宏观流体力学角度建立了复杂流体的动态铺展通用模型，该模型不仅适用于完全浸润和部分浸润的牛顿流体和非牛顿流体，还可同时预测动态接触角-接触线移动速度关系及液滴铺展定律，是已发表模型中适用范围最广和最完整的模型。(4)揭示了内部流动对固体表面上液滴蒸发的影响：通过数值建模，定量比较了液滴内部热传导、自然对流和热毛细对流对液滴在固体表面上蒸发速率的贡献，揭示出热传导和热毛细对流是影响蒸发速率的核心因素。(5)提出了纯流体和纳米流体在理想表面上薄液膜蒸发的数值建模方法：对纯流体，指出建模时必须考虑大过热度下引起的物性随温度的变化以及非蒸发液膜厚度随温度的变化，对纳米流体，提出建模时应着重考虑结构分离压力、纳米粒子在壁面沉积形成的多孔层以及纳米流体导热系数和粘度等物性变化对液膜蒸发的影响。(6)提出了纳米微结构表面上薄液膜蒸发的数值建模方法：针对Wenzel表面和Cassie表面，提出了薄液膜铺展和蒸发的数值建模方法，指出表面微结构对薄液膜蒸发和铺展的影响可表征为修正的分离压力、滑移长度以及微结构热阻，上述因素将导致微结构显著影响薄液膜的铺展和蒸发特性，分析了两种微结构下强化薄液膜蒸发的条件。