液滴撞击超疏水冷表面的行为特征及抑冰机制研究

摘要

在生产生活中会经常出现液滴撞击固体壁面的现象。当液滴撞击冷壁面后会在壁面发生冻结沉积，严重影响制冷空调系统效率、电力线路安全以及飞行器飞行稳定性。因此，理解液滴撞击冷壁面的动力学机制，探索能有效抑制液滴撞击冷表面冻结沉积的方法具有重要的科学与工程意义。而超疏水表面因其特殊属性对抑制液滴撞击冷壁面后的冻结沉积有显著的抑制作用，为此，本文采用微观可视化方法，开展了液滴撞击超疏水冷表面的行为特征及抑冰机制研究。主要研究内容及成果包括:
　　(1)采用涂层法，将试剂喷涂于铝表面成功制得实验需要的超疏水表面。涂层由SM-supercoat-SHFC1350型涂料制得。
　　(2对液滴撞击水平冷表面的动态行为进行了快速可视化观测，对比研究了单液滴撞击普通以及超疏水冷表面的行为特征。试验结果表明:液滴撞击普通冷铝表面后发生冻结沉积，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为;撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大且液滴越易冻结。液滴低速(We≤76)撞击超疏水冷表面会发生反弹现象但速度对液滴最大铺展时间无影响;液滴高速(We≥115)撞击超疏水冷表面后液滴铺展过程会产生液指且随着时间的增加，液滴在铺展或回缩过程中破碎为多组卫星液滴。在普通冷表面，当We=82时，液滴撞击普通冷铝表面发生回缩过程冻结与铺展过程冻结的临界温度为-20℃;在超疏水冷表面，冷表面温度主要影响液滴回缩过程以及反弹高度，但对液滴最大铺展因子影响较小。
　　(3)采用快速可视化拍摄手段，对液滴撞击超疏水倾斜冷表面的动态演化行为进行了微观可视化观测，记录了液滴撞击倾斜表面的动态演化过程，同时对表面倾角对液滴铺展因子的影响进行了量化分析。研究结果表明:与液滴撞击水平冷表面现象不同，液滴撞击倾斜冷表面时液滴与表面间存在相对滑移，同时也会发生铺展、回缩、反弹和冻结沉积现象。对于超疏水冷表面，撞击角度越大，液滴与表面间接触时间越短，液滴上、下铺展因子变化速率越快。
　　研究表明，与普通冷表面液滴撞击发生瞬时冻结沉积相比，超疏水冷表面能显著抑制液滴撞击过程中的冻结沉积，为超疏水表面应用于防结冰研究提供了理论依据和数据支撑。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2理论基础

1．2．1无量纲参数

1．2．2静态接触角与动态接触角

1．3液滴撞击固体壁面国内外研究现状

1．3．1液滴撞击速度

1．3．2液滴撞击角度

1．3．3液滴自身性质

1．3．4固体表面特征

1．3．5固体壁面温度

1．4液滴撞击超疏水冷表面国内外研究现状

1．5论文研究内容

1．6本章小结

第2章超疏水表面制备与表征

2．1超疏水表面的制备

2．1．1超琉水表面制备器材

2．1．2超疏水涂层

2．1．3超疏水表面制备步骤

2．2超疏水表面的表征

2．3本章小结

第3章液滴撞击超疏水表面的试验系统与方法

3．1试验系统

3．1．1制冷系统

3．1．2动态数据采集系统

3．1．3快速图像采集系统

3．1．4微液滴制备系统

3．1．5试验设备主要参数

3．2试验方法与步骤

3．3本章小结

第4章液滴撞击水平冷表面的行为特征

4．1液滴撞击普通表面行为特征

4．1．1液滴撞击普通常温表面行为特征

4．1．2液滴撞击普通冷表面行为特征

4．2液滴撞击超疏水表面行为特征

4．2．1冰晶成核理论

4．2．2液滴撞击超疏水冷表面行为特征

4．3表面温度对液滴撞击普通冷表面及超疏水冷表面的影响

4．3．1表面温度对普通冷表面的影响

4．3．2表面温度对超疏水冷表面的影响

4．4速度对液滴撞击普通冷表面及超疏水冷表面的影响

4．4．1速度对普通冷表面的影响

4．4．2速度对超疏水冷表面的影响

4．5本章小结

第5章液滴撞击倾斜冷表面的行为特征

5．1液滴撞击倾斜普通冷表面的行为特征

5．2液滴撞击倾斜超疏水冷表面的行为特征

5．3撞击角度对液滴撞击普通／超疏水倾斜冷表面的影响

5．4表面温度对液滴撞击普通／超疏水倾斜冷表面的影响

5．5本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2主要创新点

6．3工作展望

参考文献

致谢