浸潤度對低溫下氣膜產(chǎn)生的影響＊

白 崗，答 元

（西安工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，西安710021）

一般情況下，液體在達(dá)到沸點(diǎn)后有兩種沸騰模式．一種是核態(tài)沸騰，液體達(dá)到沸點(diǎn)后首先出現(xiàn)的是核態(tài)沸騰模式，固體表面產(chǎn)生氣泡，氣泡在浮力作用下上升將熱量從液體中散發(fā)到外界，此模式下熱傳導(dǎo)率高，有利于固體表面的散熱．另外一種是氣膜沸騰（Leidenfrost模式），當(dāng)固體表面溫度高于Leidenfrost臨界溫度時(shí)，核態(tài)沸騰模式轉(zhuǎn)變?yōu)長eidenfrost模式，氣泡的生成速率大于脫離速率，充分合并后在脫離壁面前在固體表面連接成氣膜，固液之間的熱傳導(dǎo)率低．傳統(tǒng)研究主要是在增強(qiáng)熱傳導(dǎo)的方向，而氣膜沸騰由于其熱傳導(dǎo)率低，容易引起管道或者器件的損壞一直是在沸騰過程中需要避免的，對此的研究主要是集中在如何升高Leidenfrost臨界溫度，擴(kuò)大核態(tài)沸騰的溫度范圍．文中氣膜沸騰在另一方面也是有正面作用的，氣膜沸騰中氣膜的存在能夠降低流體流動(dòng)時(shí)受到的阻力［1］，如果在低溫下產(chǎn)生氣膜，不但管道或者器件的損壞可以大大降低，還可以減少固液阻力．研究表明［2-3］，氣膜的產(chǎn)生與固體表面的浸潤性密切相關(guān)，浸潤性通常用表面液滴的接觸角來衡量，表面潤濕是固體表面的重要特性之一，也是最常見的一類界面現(xiàn)象，潤濕性通常用表面液滴的接觸角來衡量，通常將接觸角小于90°時(shí)的固體表面稱親水表面，大于90°稱疏水表面，其中，當(dāng)固體表面上液滴的表觀接觸角大于150°時(shí)，稱超疏水性表面．超疏水性界面在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中都有著非常廣闊的應(yīng)用前景［4］，如輸油管路減阻、微通道流動(dòng)、水中行具減阻、自清潔表面材料等．文中應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)模擬（Molecular Dynamics，MD）的方法從微觀角度模擬了在不同接觸角的固體表面上氣膜的產(chǎn)生過程，進(jìn)一步分析了固液接觸角對氣膜產(chǎn)生的影響．

1 模擬方法

系統(tǒng)底部為Pt固體壁面，原子按Pt金屬面心立方（Face Centered Cubic，F(xiàn)CC）晶格結(jié)構(gòu)排列，其［0，0，1］面同 Ar液體接觸．系統(tǒng)尺度為86．48×86．48×86．48?3，共包括10 752個(gè)氬原子和5 632個(gè)壁面原子．采用等溫等壓系綜（NPT），壓強(qiáng)P＝1．0bar，周期性邊界條件，晶格常數(shù)為5．405?．原子間的勢能作用均采用Lennard-Jones（LJ）作用勢，即

式中：ε為能量參數(shù)；r為原子中心之間的距離．其中Pt的 參 數(shù) 為εPt-Pt＝ 8．35×10-20J，σPt-Pt＝3．4?，Ar的參數(shù)為εAr-Ar＝1．65×10-21J，σAr-Ar＝3．4?．根據(jù)Yong氏理論［5］，可以通過控制固體表面的化學(xué)組成使固體的表面自由能降低，提高固體表面的疏水性，獲得較大的接觸角．固液間勢能參數(shù)為εPt-Ar＝cεAr-Ar，c為表征固液勢能參數(shù)的系數(shù)，通過調(diào)整c的大小來改變固壁和氬原子間的勢能作用，進(jìn)一步改變固液之間的浸潤度，c＝1時(shí)表示固體表面為親水性，c＝0．4時(shí)表示固體表面為疏水性［6］．文中研究的是純氬流體在固體表面的情況，此時(shí)固體表面并無氣體存在，但是可以認(rèn)為液滴和壁面間的勢能作用較弱時(shí)，液滴不能充分地填充于納米結(jié)構(gòu)的間隙，間隙中存在類似氣體的低密度相，為非均勻浸潤模式［7］，固液接觸表面符合接觸角Cassie模型．我們根據(jù)Cassie模型接觸角公式［8］

構(gòu)建Pt固體模型，分別在Pt固體表面挖去1個(gè)，9個(gè)和16個(gè)圓錐形凹坑，c＝1時(shí)Pt固體表面挖去一個(gè)凹坑的系統(tǒng)為親水性系統(tǒng)，命名為HL系統(tǒng)．c＝0．4時(shí)Pt固體表面挖去1個(gè)，9個(gè)和16個(gè)圓錐形凹坑的系統(tǒng)，按照Cassie模型理論計(jì)算得到接觸角分別為122°，130°，152°，其中，152°接觸角的界面為超疏水性界面，三個(gè)系統(tǒng)分別命名為L-1，L-9，L-16系統(tǒng)．如圖1所示是接觸角為152°的SHB固體模型．

圖1 接觸角為152°的固體模型Fig．1 Solid model with the contact angle of 152°

2 結(jié)果與討論

2．1 親水性和疏水性界面的模擬

1）親水性界面模擬

如圖2所示是在HL系統(tǒng)中，取c＝1，即為親水性界面，120K溫度下Ar流體相變的過程的模擬．由圖2可以看出親水性表面由于分子作用力較強(qiáng)，所以在表面附近吸附Ar原子，形成一層密度類似于固體的薄層，在34 300步時(shí)形成若干空穴如圖2（a）所示，進(jìn)一步的模擬過程中小空穴逐漸合并，并在43 000步時(shí)明顯形成氣泡核如圖2（b）所示．

圖2 親水性界面的模擬Fig．2 Simulation of hydrophilic surface

2）疏水性界面模擬

如圖3所示在L-1系統(tǒng)中120K溫度下Ar流體相變的過程模擬，取c＝0．4的疏水性界面．由圖3可以看出疏水性界面表面由于固液之間作用力小容易形成空穴，所以Ar原子很快就離開固體表面形成空穴如圖3（a）所示，并且產(chǎn)生的空穴也會(huì)很快連接在一起形成一個(gè)“空穴帶”，“空穴帶”逐漸擴(kuò)大并在41 100步時(shí)形成氣膜如圖3（b）所示．

2．2 接觸角對疏水性界面（c＝0．4）氣膜形成影響

進(jìn)一步在90K溫度，1bar的壓強(qiáng)條件下模擬了疏水性固體界面上不同接觸角對氣膜的影響．計(jì)算得到L-1系統(tǒng)的接觸角為122°，L-9系統(tǒng)的接觸角為130°，L-16系統(tǒng)的接觸角為152°，其中L-16屬于超疏水性界面．

圖3 疏水性界面模擬Fig．3 Simulation of hydrophobic surface

超疏水性界面模擬過程如圖4所示，圖4（a）中圓錐坑內(nèi)分子分布稀疏，可看做是已經(jīng)存在的氣相，符合Cassie接觸角模式，圖4（b）中凹坑內(nèi)出現(xiàn)空穴，并且隨時(shí)間凹坑內(nèi)的空穴進(jìn)一步增大圖4（c）所示，凹坑上方產(chǎn)生的空穴聯(lián)合起來最終形成大的“空穴帶”形成氣膜如圖4（d）所示．

圖4 L-16系統(tǒng)氣膜形成過程模擬Fig．4 Simulation of the vapor-film formation of the L-16system

如圖5所示為L-16系統(tǒng)90K溫度下氣膜形成過程的熱通量模擬結(jié)果．第一個(gè)波谷是出現(xiàn)空穴時(shí)如圖4（b）所示，此時(shí)由于凹坑內(nèi)壁首先對坑內(nèi)原子加熱，原子間距離增大，使得凹坑內(nèi)原子與凹坑外原子之間距離比較大，傳熱減??；當(dāng)凹坑內(nèi)原子幾乎全部運(yùn)動(dòng)到凹坑上方時(shí)與凹坑外部原子碰撞增加，熱通量增加，此時(shí)對應(yīng)圖5中的波峰，模擬圖如圖4（c）所示；每個(gè)凹坑上方的空穴連起來形成一個(gè)大的空穴帶，界面處流體原子與固體原子之間距離增大，固體壁面對原子的傳熱急劇減小到最小值，如圖4（d）所示；隨著原子運(yùn)動(dòng)到空穴帶中，形成氣膜，傳熱又開始增加．如圖5所示熱通量最小值時(shí)是“臨界空穴帶”，是氣膜形成的開始．

如圖6所示是L-1，L-9，L-16各系統(tǒng)模擬得到的熱通量曲線圖的比較．L-9，L-16兩個(gè)系統(tǒng)均出現(xiàn)了熱通量的最小值，這說明出現(xiàn)了氣膜，這是由他們的疏水性表面所決定的．由圖還可以看出，L-16的超疏水性界面中熱通量最小值最先達(dá)到，這是因?yàn)楣腆w表面越疏水，固體分子和液體分子間作用力越小，液體分子間距離越大，密度越小，越容易形成氣膜．而L-1系統(tǒng)由于其親水性的壁面屬性，固體分子和液體分子間作用力大，在固體表面形成一層“類固體層”，使得液體隨著溫度升高會(huì)出現(xiàn)成核沸騰，不會(huì)出現(xiàn)氣膜，所以并沒有出現(xiàn)熱通量的最小值．

圖5 L-16系統(tǒng)中熱通量的曲線圖Fig．5 Curve of the heat flux of the L-16system

圖6 L-1，L-9，L-16各系統(tǒng)模擬得到的熱通量曲線圖Fig．6 Curves of the heat flux of the L-1，L-9，L-16systems

3 結(jié) 論

1）固液界面的浸潤度對氣膜形成的影響非常大．親水性界面由于固體原子對液體原子的強(qiáng)作用力使得固體表面形成一層類似于固體的薄層，更容易產(chǎn)生氣泡核．而疏水性界面固液原子間的弱相互作用使得固體表面能夠形成一個(gè)“空穴帶”，進(jìn)一步形成氣膜．

2）疏水性界面的系統(tǒng)中，浸潤度的不同對氣膜形成的難易程度影響也是非常大的．其中超疏水性界面明顯要容易形成氣膜．在較低溫度下，一般的疏水性界面（接觸角為122°）很難形成氣膜的情況下，超疏水性界面（接觸角為152°）依然能夠在短時(shí)間內(nèi)形成氣膜．

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