微米槽-纳米草织构铜表面冷凝和自集水特性研究

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表面湿润特性在相变传热中有重要作用。滴状冷凝超疏水表面在热管理和集水技术方面有广泛应用。近年来,科研人员制备了许多微纳二级分层结构超疏水表面,并研究了表面微结构对液滴状态和表面传热效果的影响。外置液滴在表面的静态接触角是评价表面湿润性的重要指标。冷凝小液滴在超疏水表面的迁移合并等动态行为对表面传热特性具有重要影响。本文结合现有理论模型,研究了超疏水表面的传热特性阐述了表面微观结构对传热效果的影响,主要研究内容和取得的成果如下:利用机械加工和化学腐蚀相结合的方式制备了V形槽微纳二级结构铜表面、金字塔微纳二级结构铜表面和正四棱台微纳二级结构铜表面。作为对照,制作了1组纳米结构疏水铜表面、1组光滑疏水铜表面和1组光滑亲水铜表面。建立冷凝微液滴生长过程中接触角动态变化模型和不同微观结构表面上外置液滴静态接触角模型;通过实验测量了超疏水表面外置液滴静态接触角和滚动角。结果表明外置静态液滴接触角大于150°,滚动角在0.9°左右,这说明实验制备的样品展现了良好的超疏水性。建立单个冷凝液滴的传热模型和表面上液滴尺寸分布模型;考虑表面微观结构对冷凝小液滴自迁移频率的影响和表面倾斜角度对冷凝液滴尺寸分布的影响。用光学显微镜观察不同微观结构表面上液滴的动态行为和不同倾斜角度表面上液滴尺寸分布情况。结果表明,纳米结构可以加快冷凝液滴自迁移频率;随着表面倾斜角度的降低,视野范围内尺寸越大的液滴所占比重也越大。建立单个“驻留”液滴的传热模型及生长模型;考虑不同微观结构对集水质量的影响。用显微镜观察“驻留”液滴的动态行为;用电子天平称量收集的冷凝水质量。结果表明“驻留”液滴的动态行为和模型相吻合;V形槽微纳二级结构表面的集水质量最高,这说明该表面的热交换效率最高。本文通过实验学方法,探究了影响微纳二级结构超疏水铜表面冷凝效率的因素,并且对比了不同微观结构对液滴接触角、冷凝微液滴自迁移和表面集水质量的影响,对于设计和优化传热表面微观结构具有一定的借鉴意义。
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