基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)理研究.pdf

1、基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)不僅在動(dòng)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(lái)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。對(duì)基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質(zhì)輸運(yùn)機(jī)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(wèn)題亟待深入研究和厘清。為此，本文針

2、對(duì)基板表面固著型微小液滴（10-6 m

3、還通過(guò)底部微型加熱方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小液滴表面溫度分布的調(diào)控，并進(jìn)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(dòng)的調(diào)控機(jī)制。本文主要工作和成果如下：
　　（1）基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)速率基于純擴(kuò)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(duì)其蒸發(fā)速率的影響機(jī)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(gè)全新的液滴蒸發(fā)速率預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式不僅數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)單且可適用全接觸角范圍（0<θ<180o）；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(guò)可視化測(cè)量系統(tǒng)對(duì)得到預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式和結(jié)論進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　?。?）微小液滴蒸發(fā)過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)間演變關(guān)系會(huì)隨后退接觸角增加而突破CCA模式，但在其后退接觸角達(dá)到θrec=90o后又重返回CCA模式；

6、對(duì)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(shí)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(jī)理。
　?。?）基板全局加熱下微小液滴蒸發(fā)熱質(zhì)輸運(yùn)模型及演化行為構(gòu)建了描述加熱基板上液滴蒸發(fā)過(guò)程的熱質(zhì)耦合輸運(yùn)數(shù)值模型，該模型全面考慮了液滴蒸發(fā)過(guò)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(duì)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(jī)制，與實(shí)驗(yàn)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(guò)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(duì)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(shí)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(wú)關(guān)的普適性無(wú)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(shí)間演化關(guān)系的理論關(guān)系式，并通過(guò)

8、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　（4）微小液滴氣液界面Marangoni效應(yīng)及其對(duì)蒸發(fā)特性影響研究了液滴蒸發(fā)過(guò)程中Marangoni效應(yīng)對(duì)液滴流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、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(shí)Marangoni效應(yīng)會(huì)強(qiáng)化液滴整體傳熱，而小于此臨界角時(shí)Marangoni效應(yīng)在液滴頂部形成的流動(dòng)滯止區(qū)會(huì)惡化液滴頂部局部傳熱，進(jìn)而導(dǎo)致了液滴頂端溫度較無(wú)Marangoni效應(yīng)時(shí)有所降低的現(xiàn)象；Marangoni效

9、應(yīng)會(huì)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(jī)理解釋；Marangoni效應(yīng)對(duì)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(shí)，Marangoni效應(yīng)對(duì)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(shí)，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(duì)流調(diào)控機(jī)制通過(guò)微型加熱元件成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jìn)一步通過(guò)數(shù)值模擬分析了局部加熱下液滴內(nèi)部微流場(chǎng)特征及調(diào)控機(jī)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(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴內(nèi)部微流動(dòng)的高效操控；同時(shí)存在最佳的