基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質輸運機理研究(1)

1、上海交通大學博士學位論文基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質輸運機理研究及熱質輸運機理研究博士研究生：胡定華指導教師：吳慧英教授學科：動力工程及工程熱物理研究方向：微小尺度相變傳熱傳質上海交通大學機械與動力工程學院工程熱物理研究所二O一六年六月上海交通大學博士學位論文摘要I基板基板表面表面固著型固著型微小液滴蒸發(fā)特性及微小液滴蒸發(fā)特性及熱質輸運機理研究熱質輸運機理研究摘要基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)不僅在動力

2、裝置冷卻、核反應堆熱控、化工設備熱交換等工業(yè)領域中具有廣泛重要應用，而且伴隨近年來微納技術的快速發(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)（TAS）等前沿科技領域亦展現出廣闊應用前景，受到國內外學者的廣泛關注。對基板表面固著型微小液滴蒸發(fā)特性及熱質輸運機理的深入理解和掌握，是發(fā)展和完善其應用的關鍵，而隨著微小液滴蒸發(fā)應用領域的拓展，許多基礎性科學問題亟待深入研究和厘清。為此，本文針對基板表面固著型微小液滴（106mRl

3、c，R為液滴接觸半徑，lc為液體毛細長度）的蒸發(fā)特性及熱質輸運機理開展了深入系統(tǒng)的研究。首先研究了固著型微小液滴蒸發(fā)速率及其理論預測，進而詳細分析了三種典型蒸發(fā)模式下液滴形態(tài)的演化規(guī)律。在此基礎上，進一步研究了基板全局加熱下微小液滴蒸發(fā)的熱質輸運模型及其形態(tài)演化行為，分析了液滴氣液界面Marangoni效應對液滴蒸發(fā)特性的影響規(guī)律。鑒于Marangoni效應與液滴表面溫度分布有重要關系，本文還通過底部微型加熱方式實現了對微小液滴表面溫度

4、分布的調控，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部微流動的調控機制。本文主要工作和成果如下：（1）基板表面基板表面固著型固著型微小液滴蒸發(fā)速率微小液滴蒸發(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，并表現出與相同表面積下半球形液滴周圍蒸氣濃度分布相同的規(guī)律；相比接

5、觸角和接觸半徑，液滴表面積才是決定液滴蒸發(fā)速率的關鍵幾何形態(tài)參數；提出了一個全新的液滴蒸發(fā)速率預測關聯式，該關聯式不僅數學形式簡單且可適用全接觸角范圍（0θ180）；在此基礎上，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論。最后，通過可視化測量系統(tǒng)對得到預測關聯式和結論進行了實驗驗證。（2）微小液滴蒸發(fā)過程中形態(tài)演化規(guī)律微小液滴蒸發(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“黏滑”（SS）三種