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能动学院在冷凝液滴自发运动研究方面取得新进展

2020-06-25 12:13  点击:[]

滴状冷凝因其比膜状冷凝高十倍左右的传热效率而备受关注。然而,即便基板粗糙度、润湿性等表面属性未变,随着冷凝液滴增多,液滴很容易合并而转化为膜态。因此,及时排走液滴是维持滴状冷凝状态的关键。重力只能排走直径大于毛细长度(水为2.7mm)的液滴,且方向始终竖直向下,基板底端随着冷凝液滴汇聚难免转化为膜态。近年,学者们发现液滴存在自发迁移、跳跃等现象。但只有在超疏水表面,微米液滴相互合并才可能发生跳跃,且能量转换效率低;灌注润滑油多孔表面(均质超滑表面)依靠液滴间的毛细力驱动较小液滴向附近较大液滴移动,但仅限于微米尺度(一般<100微米)液滴;介于100微米毛细长度之间的液滴,借助梯度润湿表面、仿水稻叶超滑亲水表面、仿纳米布沙漠甲虫背壳点状凸起等特殊表面可实现迁移,但只能沿预先加工好的方向移动,本质上仍是毛细运动。尤为关键的是,冷凝本身是一个强烈的传热过程,现有自驱移动方向都与传热无关,还没有一种无需外力就能排走各种尺度(微米至毫米)液滴,且方向又与传热紧密相关的自驱机制。

最近,石万元教授团队采用化学刻蚀后涂覆聚四氟乙烯等方法制备了一种新型非均质超滑表面,发现冷凝形核优先发生在聚四氟乙烯微粒附近,由此导致冷凝表面局部温度不均。实验观察到没有施加外力、也没有外加水平温度梯度情况下,水平超滑表面上冷凝液滴自发从局部温度较高区域向较低温度区域移动(图1)。分析发现它由冷凝表面局部温度分布不均导致液滴底面和超滑表面液膜之间的热毛细力(热Marangoni效应)驱动引起,是一种自发的热毛细运动现象。只要冷凝基板表面存在温度不均匀,位于其上的液滴就可能运动,移动进一步加剧表面温度不均匀性,并扩大几何范围,使直径从数十微米到数毫米的液滴都存在这种运动现象。在倾斜壁面上,1.0毫米左右液滴甚至能逆着重力向上运动。液滴运动的速度与MarangoniMa成正比。液滴向较低温度区域运动的好处在于低温区更利于冷凝,运动还加快了液滴的扫掠、合并,也不依赖于重力,多方面因素共同作用提高了冷凝效率,实验测得存在热毛细迁移时冷凝表面底端收集到的冷凝液质量可达无热毛细迁移时的两倍。该发现在海水淡化、空气取水、空间微重力热管理等方面具有重要的应用前景。

该成果近期以《冷凝液滴自发热毛细运动》(Spontaneous thermocapillary motion of condensation droplets)为题在线发表于自然指数期刊《Applied Physics Letters》上。能动学院石万元教授为通讯编辑,博士生祝及龙为第一编辑,博士生王天石和博士后冯林分别为第三及第四编辑。该工作得到国家自然科学基金项目(编号51676018)的资助。

1. 水平超滑表面上冷凝液滴的自发热毛细运动。图中箭头表示液滴运动的路径。

全文链接:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0007074



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