塑性变形致金属纳米晶表面蒸汽滴状冷凝的形成机理研究

滴状冷凝是一种高效的冷凝传热方式。表面自由能是决定蒸气在其上冷凝呈滴状与否的最关键参数。金属的表面自由能受表层晶体结构、粗糙度、应力及缺陷等表面状态的显著影响，晶体的晶粒尺度达到纳米级时，表面能会显著降低；表层压应力亦能引起表面能的降低。塑性变形致金属表层纳米化具有纳米晶组织与基体之间无明显界面，表层承受压应力的特征，前期探索性实验发现蒸汽在塑性变形致铜纳米晶表面呈滴状冷凝，本项目拟在此基础上，系统地研究表面晶粒尺度、纳米晶显微组织结构对滴状冷凝传热性能的影响规律；基于长时冷凝实验及实验后表面显微组织结构的分析，研究纳米晶表面蒸汽滴状冷凝的稳定性和持久性；并辅以可视化的实验手段，从晶粒尺度效应和压应力效应两个方面，综合分析纳米晶表面蒸汽滴状冷凝的形成机理。本项目可为滴状冷凝的实现方法另辟蹊径，提供一种全新的表面处理方法。

滴状冷凝是一种高效的冷凝模式。本项目基于垂直平板冷凝试验，系统研究了强烈塑性变形致表面自纳米晶化、粗糙度和化学异质性对金属表面蒸汽冷凝特性的影响规律，并通过液滴动力学行为的可视化表征、理论分析，阐述了冷凝强化的机理。.研究发现在金属表面形成低表面能的纳米晶层可显著强化冷凝传热。表面粗糙度对冷凝传热有显著影响，存在使得冷凝传热效果最佳的表面粗糙度值，对于纯铜表面，当表面粗糙度Ra=0.15μm时，滴状冷凝的液滴区域面积和冷凝传热系数达到最大值。发现蒸汽冷凝致表面氧化形成的化学异质性对冷凝传热具有强化作用，具有化学异质性铜表面的冷凝传热系数约为纯铜表面的1.4倍，为完全膜状冷凝传热系数的3.5倍。与退火态铜表面相比，纳米晶表面的表面自由能更低，具有化学异质性的纳米晶铜表面的表观接触角达到114°，其表面为理想的滴状冷凝模式。但由于其滞后接触角也增大到35°，液滴脱落阻力增大，使得其冷凝传热系数仅为膜状冷凝的2.5倍。静态接触角、滞后接触角等表面润湿性能对冷凝传热特性起决定作用。采用高速摄影技术可视化观测了冷凝液滴生长与脱离的动态全过程，得出滴状冷凝过程中液滴的生长速率和脱落直径均随着过冷度的增大而增大，较大的过冷度促进了冷凝传热的进行，增大了冷凝传热量，但是由于脱落直径较大，界面传热阻力较大，使得冷凝传热系数变小。基于液滴在冷凝表面的分形分布特性，考虑接触角对分形维数的影响建立液滴分布函数，进而建立不同接触角表面通用滴状冷凝传热模型。根据滴状区面积比率η的不同，提出将膜状区的传热分别按照沟流传热模型 (η ≥ 50%) 和Nusselt竖壁层流传热模型 (η < 50%) 进行计算，从而建立了通用滴膜共存冷凝传热模型，模型与文献数据吻合较好。.本项目的研究为滴状冷凝的实现方法另辟蹊径，提供了一种全新的表面处理方法。并进一步为开发强化冷凝传热的新方法提供了理论和试验依据。