微米液滴冲击微纳米结构表面的流动与传热机理研究

The droplet impingement dynamics and heat transfer on the surface are very important in many applications such as spray cooling, ink jet printing and surface coating. This research is going to study the dynamic characteristics and heat transfer process of one micrometer-sized droplet impinging on nano-structured surfaces, micro-structured surfaces which characteristic structure sizes are the same order of magnitude as the droplets, hybrid-structured surfaces and liquid films with different thickness experimentally, numerically and theoretically. The micro-/nano- structured surfaces will be fabricated by deep reactive ion etching (DRIE), adding carbon nano-tube films and thermal solution growth technology. Spatial and temporal evolutions of the droplet spreading diameter, dynamic contact angle, temperature field and heat flux on the surface will be measured by many equipments such as high-speed photograph, thermal infrared imager and Particle Image Velocimetry (PIV) system. The droplet impingement on the micro-/nano- structured surfaces will also be simulated using the Volume of Fluid (VOF) method with dynamic contact angles (DCA) calculated by Blake’s model in three-dimensional region. The effects of the droplet parameters (Reynolds number and Weber number), surface conditions (surface temperature, heat flux distribution and liquid film thickness) and micro-/nano- structures will be studied according to the experimental and numerical results to establish the semi-empirical theory model of the dynamic characteristics and heat transfer mechanisms during the droplet impinging process. The micro-/nano- structures on the surface will be optimized to improve the heat transfer performance, which is benefit for the practical application of droplet impingement heat transfer and spray cooling technology.

研究单颗液滴冲击表面的流动与传热对喷雾冷却、喷墨印刷和表面喷涂等应用有重要意义。本课题拟采取实验研究、数值模拟和理论分析相结合的技术路线，研究单颗微米液滴冲击到纳米结构表面、与液滴尺寸相当的微米结构表面、微纳米组合结构表面和不同厚度液膜时的动力学特性和传热规律。拟采用干法刻蚀、铺设碳纳米管膜和热溶液生长法等工艺制成微纳米结构表面，应用高速摄像仪、红外热像仪和PIV等技术测量液滴的铺展直径、动态接触角、热表面温度分布和热流密度等物理量随时间和空间的演化特性。使用VOF方法，发展动态接触角模型，三维求解液滴冲击微纳米表面时的流动和传热特性，结合实验结果，深入了解液滴参数（Re数和We数等）、热表面条件（热表面温度、热流密度和液膜厚度等）和微纳米结构等因素的影响机理，建立半经验理论模型，并对微纳米结构进行优化设计，使其进一步提高换热性能，为液滴冲击换热和喷雾冷却的实际应用提供科学依据和理论指导。

研究单颗液滴冲击表面的流动与传热对喷雾冷却、喷墨印刷和表面喷涂等应用有重要意义。本课题采取理论分析、实验研究和数值模拟相结合的技术路线，研究了单颗液滴冲击到不同结构表面时的动力学特性和传热规律。. 本课题首先建立了一种适用于分析液滴冲击热表面流动及蒸发换热的数值模拟方法，实现了耦合非平衡态蒸发、气相对流扩散及动态润湿条件下液滴冲击冷却的全过程模拟。模拟发现：1) 采用Blake模型计算的动态接触角能够更好的模拟液滴的铺展过程；2)对比了液滴在不同微米矩形槽道表面和方柱表面的铺展，发现液滴在矩形槽道表面的总润湿面积最高，但方柱结构更利于液体对其底表面的润湿，并比较了微结构尺寸的影响；3) 接触角滞后效应阻碍了液滴在表面的运动，减弱了换热，而热毛细效应强化了液滴内部的环流，增强了换热；4) 表面润湿性越好，液滴的铺展越迅速，最大铺展半径也越大，动态阶段的强迫对流换热和准静态阶段的蒸发换热均更强；5) 表面温度远低于Leidenfrost温度时，温度越高，液滴蒸发越快，表面换热越强，当温度进一步升高时，液滴会发生Leidenfrost现象从表面反弹离开，对应着喷雾冷却中的临界热流密度；6) 液滴越小，单位液滴质量的壁面换热热流和总换热都越大，液滴蒸发越快，液滴速度只对冲击冷却的动态阶段产生影响，不影响蒸发，但速度越大，对应着Leidenfrost现象的壁面温度越高。. 本课题也搭建了实验台，采用高速拍摄技术，观察了液滴在不同温度表面的流动、蒸发和沸腾现象。实验中发现，随着固体表面温度增加，液滴的蒸干时间显著减少；当We数非常小，固体表面温度较高时液滴内部也未出现气泡，液滴主要通过蒸发至蒸干，但当We数增大，液滴内部会产生气泡，气泡逐渐长大并破裂，并会带出部分液体，加速液滴的蒸发过程，有时会伴随气泡的破裂再次引入新的汽化核心发展为新的气泡。此时整个相变过程可以分为两步：有气泡的沸腾过程和无气泡的蒸发过程。. 据此，本课题可以为液滴冲击换热和喷雾冷却的实际应用提供科学依据和理论指导。