基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運機理研究.pdf

1、基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)不僅在動力裝置冷卻、核反應(yīng)堆熱控、化工設(shè)備熱交換等工業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛重要應(yīng)用，而且伴隨近年來微納技術(shù)的快速發(fā)展，在微電子器件制造及冷卻、微型光電材料制備、微全分析系統(tǒng)（μTAS）等前沿科技領(lǐng)域亦展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運機理的深入理解和掌握，是發(fā)展和完善其應(yīng)用的關(guān)鍵，而隨著微小液滴蒸發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，許多基礎(chǔ)性科學(xué)問題亟待深入研究和厘清。為此，本文針

2、對基板表面固著型微小液滴（10-6 m

3、還通過底部微型加熱方式實現(xiàn)了對微小液滴表面溫度分布的調(diào)控，并進一步研究了局部加熱下液滴表面溫度分布特征及其內(nèi)部微流動的調(diào)控機制。本文主要工作和成果如下：
　?。?）基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)速率基于純擴散蒸發(fā)模型，研究了環(huán)境溫度下等溫基板表面固著型微小蒸發(fā)液滴周圍蒸氣傳質(zhì)規(guī)律，分析了液滴形態(tài)對其蒸發(fā)速率的影響機理。發(fā)現(xiàn)非半球形液滴周圍蒸氣濃度沿空間各方向上的分布隨著與液滴距離的增加而趨于一致，并表現(xiàn)出與相同表面積下半球形液滴周圍蒸

4、氣濃度分布相同的規(guī)律；相比接觸角和接觸半徑，液滴表面積才是決定液滴蒸發(fā)速率的關(guān)鍵幾何形態(tài)參數(shù)；提出了一個全新的液滴蒸發(fā)速率預(yù)測關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式不僅數(shù)學(xué)形式簡單且可適用全接觸角范圍（0<θ<180o）；在此基礎(chǔ)上，進一步獲得了液滴蒸發(fā)速率與液滴表面積平方根成正比的重要結(jié)論。最后，通過可視化測量系統(tǒng)對得到預(yù)測關(guān)聯(lián)式和結(jié)論進行了實驗驗證。
　?。?）微小液滴蒸發(fā)過程中形態(tài)演化規(guī)律理論研究了常接觸半徑（CCR）、常接觸角（CCA）以及“黏

5、-滑”（SS）三種典型蒸發(fā)模式下，液滴接觸角、接觸半徑以及體積等形態(tài)參數(shù)隨時間的演化關(guān)系。構(gòu)建了三種蒸發(fā)模式下液滴接觸角、接觸半徑隨時間演化行為的理論模型。在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)：親水性表面SS模式下的蒸發(fā)液滴（θ0≤90o）體積演變規(guī)律始終介于CCR（上限）與CCA（下限）模式之間；而疏水表面SS模式下的蒸發(fā)液滴（θ0>90o），其體積隨時間演變關(guān)系會隨后退接觸角增加而突破CCA模式，但在其后退接觸角達到θrec=90o后又重返回CCA模式；

6、對于初始形態(tài)相同的液滴，即使后退接觸角不同，仍可具有近似相同的體積演化行為，并揭示了液滴體積隨時間演化規(guī)律本質(zhì)上是由液滴表面積與蒸發(fā)速率及接觸角之間關(guān)系所決定的物理機理。
　　（3）基板全局加熱下微小液滴蒸發(fā)熱質(zhì)輸運模型及演化行為構(gòu)建了描述加熱基板上液滴蒸發(fā)過程的熱質(zhì)耦合輸運數(shù)值模型，該模型全面考慮了液滴蒸發(fā)過程中蒸氣傳質(zhì)、基板-液滴-空氣的三相耦合傳熱、液滴內(nèi)部和空氣自然對流、液滴氣液界面的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)和Marangoni效應(yīng)等

7、多種熱質(zhì)傳遞機制，與實驗結(jié)果吻合良好?；谠撃Ｐ脱芯苛擞H水性加熱基板表面液滴在常接觸半徑模式下蒸發(fā)過程及其形態(tài)演化行為，分析了加熱基板溫度、環(huán)境濕度、液滴尺寸等對液滴蒸發(fā)演化行為的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)液滴在加熱基板上常接觸半徑蒸發(fā)模式中，液滴接觸角和體積隨時間的演化關(guān)系遵循著與加熱基板溫度、環(huán)境濕度、液滴接觸半徑無關(guān)的普適性無量綱演化規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，提出了加熱基板上液滴在常接觸半徑蒸發(fā)模式下接觸角和體積隨時間演化關(guān)系的理論關(guān)系式，并通過

8、實驗進行了驗證。
　?。?）微小液滴氣液界面Marangoni效應(yīng)及其對蒸發(fā)特性影響研究了液滴蒸發(fā)過程中Marangoni效應(yīng)對液滴流場、溫度場、蒸發(fā)速率等蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：存在一臨界接觸角，大于此臨界角時Marangoni效應(yīng)會強化液滴整體傳熱，而小于此臨界角時Marangoni效應(yīng)在液滴頂部形成的流動滯止區(qū)會惡化液滴頂部局部傳熱，進而導(dǎo)致了液滴頂端溫度較無Marangoni效應(yīng)時有所降低的現(xiàn)象；Marangoni效

9、應(yīng)會使液滴表面除頂端區(qū)域外的局部蒸發(fā)速率分布更為均勻，這為Marangoni效應(yīng)抑制咖啡環(huán)現(xiàn)象提供了新的機理解釋；Marangoni效應(yīng)對液滴蒸發(fā)速率的提升作用隨著液滴接觸角和基板溫度增加而增加，當(dāng)液滴接觸角小于60o且基板為室溫25 ℃時，Marangoni效應(yīng)對液滴蒸發(fā)速率的影響可忽略，而當(dāng)液滴接觸角為90o基板溫度為55℃時，Marangoni效應(yīng)可提高液滴蒸發(fā)速率30.3%。
　?。?）局部加熱下微小液滴表面溫度分布及其內(nèi)

10、部微對流調(diào)控機制通過微型加熱元件成功實現(xiàn)了對接觸半徑為1.6 mm液滴底面的局部加熱，借助微距紅外熱像技術(shù)探究了局部加熱液滴表面溫度分布特征及其與加熱功率的關(guān)系，并進一步通過數(shù)值模擬分析了局部加熱下液滴內(nèi)部微流場特征及調(diào)控機制。研究發(fā)現(xiàn)局部加熱方式不僅可靈活改變液滴表面溫度梯度方向，而且液滴表面最大溫差可較自然蒸發(fā)及全局加熱方式有顯著提升，這表明局部加熱方式能有效調(diào)控液滴表面溫度分布，進而可實現(xiàn)對液滴內(nèi)部微流動的高效操控；同時存在最佳的