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纳米流体液滴撞击固体壁面铺展动力学行为研究

2020-12-08阅读(193)

纳米流体液滴撞击固体壁面铺展动力学行为研究

论文摘要

液滴撞击壁面的过程在工业中有着广泛的应用。现如今随着人们对电子的集成化和微型化的要求越来越高,基于纳米流体液滴沉积的增益传热冷却技术,已经成为微电子工程的热点问题。研究纳米流体液滴撞击固体壁面的动力学行为,将为基于纳米流体液滴沉积的增益传热冷却技术提供相关的理论支持。本研究采用可视化测量手段,对纳米流体液滴撞击固体壁面的过程进行研究。研究揭示了纳米流体的流变特性对其液滴铺展过程的影响,以及提出纳米流体液滴撞击固体壁面后铺展行为的预测模型。本研究的主要内容如下:首先利用两步法在不添加分散剂的情况下,将三种不同微观结构的纳米颗粒(圆柱状碳纳米管、片状石墨烯以及球状纳米石墨粉)分散到高粘度的基液中(环氧树脂)制备出均一稳定的环氧树脂基纳米流体。其次,在添加SDS分散剂的情况下,将多壁碳纳米管分散到去离子水中,制备出分散性良好的水基纳米流体。通过SEM电镜和电子显微镜对制备的纳米流体进行分散性和稳定性分析。之后对分散良好的纳米流体进行剪切粘度以及相关物性测量,结果表明三种环氧树脂基纳米流体均展现出剪切变稀的现象,且不同微观结构的纳米分散相使得环氧树脂溶液展现出不同的剪切变稀程度。本研究使用幂律模型分析了纳米流体的剪切变稀特性。水基纳米流体也呈现出剪切变稀特性,并且分散剂的加入严重削弱了溶液的表面张力。利用高速数码摄像机配合显微镜头对环氧树脂基纳米流体液滴撞击固体壁面进行可视化研究。通过研究纳米流体液滴撞击过程中的动态接触角(DCA)、铺展因子(D~*)以及无量纲高度(H~*)的变化规律,分析纳米流体的剪切变稀特性,撞击表面的浸润性以及惯性力对其液滴撞击壁面铺展过程的影响。研究发现,纳米流体的流变特性影响着其液滴的撞击行为,剪切粘度在撞击过程中起到主要作用。对比液滴撞击不同亲疏水壁面的铺展行为得到,在纳米流体液滴的回缩阶段,撞击表面的浸润性对无穷剪切粘度高且剪切变稀程度小的纳米流体液滴(n较大)影响较大。通过对比不同撞击速度下纳米流体液滴的铺展行为发现,惯性力主导着纳米流体液滴的初始铺展阶段。经过对大量实验数据的分析,提出了纳米流体液滴的最大铺展因子预测模型,与实验结果具有较好的一致性。最后对水基纳米流体液滴撞击固体壁面过程的可视化分析可知,SDS分散剂的添加削弱了去离子水液滴的回弹过程,添加了SDS和碳纳米管的去离子水液滴的回弹进一步受到抑制。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 课题研究的背景和意义
  •   1.2 液滴撞击固体壁面的研究现状
  •     1.2.1 牛顿流体液滴撞击壁面的研究现状
  •     1.2.2 非牛顿流体液滴撞击壁面的研究现状
  •   1.3 纳米流体的国内外研究现状
  •     1.3.1 纳米流体流变特性的研究现状
  •     1.3.2 纳米流体的制备方法
  •   1.4 本课题研究的目的和主要内容
  • 第二章 理论基础
  •   2.1 流变学基础
  •     2.1.1 流变学理论基础
  •     2.1.2 流变测量原理以及流变模型
  •   2.2 液滴撞击固壁行为及无量纲参数
  •   2.3 液滴撞击固体壁面运动过程分析
  •     2.3.1 液滴边缘运动方程
  •     2.3.2 液膜中的速度场
  •     2.3.3 液滴铺展初始阶段分析
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 纳米流体的制备及物性的测量
  •   3.1 纳米流体的制备
  •     3.1.1 制备方法
  •     3.1.2 环氧树脂基纳米流体的制备
  •     3.1.3 水基纳米流体的制备
  •   3.2 纳米流体剪切粘度及物性测量
  •     3.2.1 剪切粘度测量与分析
  •     3.2.2 纳米流体物性的测量与分析
  •   3.3 本章小结
  • 第四章 纳米流体液滴撞击固体壁面可视化实验
  •   4.1 实验装置及方法
  •     4.1.1 高速数码可视化实验系统
  •     4.1.2 图像处理方法与实验误差分析
  •   4.2 环氧树脂基纳米流体液滴撞击固体壁面分析
  •     4.2.1 环氧树脂液滴撞击壁面过程
  •     4.2.2 纳米分散相对液滴撞击过程的影响
  •   4.3 表面浸润性对纳米流体液滴撞击表面的影响
  •   4.4 惯性力对纳米流体液滴撞击过程的影响
  •   4.5 高粘度剪切变稀流体液滴最大铺展因子模型
  •   4.6 水基纳米流体液滴撞击固体壁面
  •     4.6.1 去离子水液滴撞击固体壁面过程
  •     4.6.2 表面张力对液滴撞击壁面过程的影响
  •     4.6.3 水基纳米流体液滴撞击壁面
  •   4.7 本章小结
  • 第五章 本文总结和工作展望
  •   5.1 本文总结
  •   5.2 未来工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 硕士学位期间科研情况

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 王睿

    导师: 刘海龙

    关键词: 纳米流体,流变特性,液滴撞击,动态铺展

    来源: 江苏大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 力学

    单位: 江苏大学

    分类号: O353.4

    总页数: 83

    文件大小: 4170K

    下载量: 159

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