液滴撞击不同固体表面动力学特性及热毛细迁移研究

论文摘要

液滴撞击固体表面及其热毛细迁移过程普遍存在于自然界和工业生产中,其强烈的热质交换能力使其在材料、化工、机械和能源等领域有着广泛的应用。掌握工艺参数对撞击过程的影响规律,分析不同表面影响液滴振荡与飞溅的因素,系统、深入地研究异质液滴的热毛细迁移过程,对相关工业设备的设计与解决实际工作中的问题有着很重要的意义。本文针对液滴撞击固体表面时动力学行为的不同影响因素,利用高速摄像技术捕捉了七种物性不同的液滴以不同速度和体积撞击不同粗糙度和温度壁面后的振荡过程与飞溅形态;石蜡油与去离子水按多种比例混合形成异质液滴,放置在金属基板表面,在外加不均匀温度场作用下进行热毛细迁移,研究了此过程中的理论模型和实验现象;根据“倾斜板法”测试了不同工质液滴接触角滞后的特点,进行多组实验研究接触角滞后性与表面粗糙度的关系。具体的研究内容与主要结论如下:首先,建立物理模型并推导最大铺展因数的理论值关联式,对比理论分析与实验结果,探究了液滴粘度、表面张力、撞击速度、体积、壁面粗糙度和温度对液滴撞击壁面后运动特性的影响。结果表明:表面张力越大的流体发生回弹和振荡现象越明显,粘性力限制了液滴的铺展。撞击速度越大,同一时刻的铺展因数越大,且飞溅现象更加明显。最大铺展因数(?max)随液滴初始直径（d0）增长的速率先增大后减小,且d0越小,实验结果与预测结果越吻合。液滴的平衡接触角（θe）随壁面粗糙度（Ra）增加而变大,壁面润湿性减弱,θe受Ra的影响随Ra的增大而逐渐降低;θe随壁面温度上升逐渐下降,且温度越高,Ra对θe的影响越小。Ra的增大促进了液滴的指状边缘和飞溅运动,飞溅临界速度随Ra的增加而下降。液滴撞击高温壁面的最适温度（Tc）随Re数减小或液滴粘度上升而下降,壁面温度与Tc的差值越大,βmax随之变化得越剧烈;低温壁面上液滴的铺展受到阻碍,随着壁面温度的降低,Re数越小或粘度越大液滴的βmax下降幅度越小。其次,采用高速摄像机记录和分析温度梯度驱动液滴从高温区迁移至低温区过程中液滴的形态变化,研究其粘度随含水率和温度的变化规律。结果表明:异质液滴的接触角随温度升高而减小,润湿性增强;异质液滴的迁移速度随粘度增加而减小,随温度梯度增加而增加,不同粘度下的速度差随温度梯度的增大而增大,迁移速度随时间增加迅速降低,后缓慢减小到趋于零的恒定值。推导出迁移速度与Marangoni数（Ma）的关系式并进行了实验验证,发现迁移速度随着Ma数的增加而显著增加,且Ma数越大,实验结果与理论分析结果的匹配程度越高。最后,随Ra增加,前进接触角θA增大,后退接触角θR减小,两者之差Δθ增加,即不同液滴的接触角滞后性增加。接触角的滞后性与液滴的物理性质有关,液滴表面张力（?）越大,其接触角滞后性越强。不同工质液滴出现接触角滞后现象的基板临界倾斜角（ɑ）随Ra的增加而呈现明显减小趋势,同时ɑ随?的增加而下降。液滴在亲水和疏水表面上的前端和后端三相接触线并不是同时开始运动的,其移动起始端分别为前端和后端。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 钟源

导师: 杜海存,王伟

关键词: 液滴撞击,振荡,接触角,粗糙度,热毛细迁移,传热传质

来源: 南昌大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 南昌大学

基金: 国家自然科学基金项目:毛细管内脉动两相流动的演化规律和机理研究(基金号:11562011)

分类号: O313.4

DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.001041

总页数: 84

文件大小: 3633K

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