金屬絲網(wǎng)超親/疏水性強(qiáng)化氣液相界面運(yùn)動(dòng)

陳宏霞，馬福民，黃林濱（華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 006；多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 006；湖北理工學(xué)院材料與冶金學(xué)院，湖北 黃石 4500）

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金屬絲網(wǎng)超親/疏水性強(qiáng)化氣液相界面運(yùn)動(dòng)

陳宏霞1, 2，馬福民3，黃林濱1
（1華北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 102206；2多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；3湖北理工學(xué)院材料與冶金學(xué)院，湖北 黃石 435003）

摘要：利用多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行液體的導(dǎo)流和氣液分離是近年來強(qiáng)化傳熱的研究熱點(diǎn)，主要原理是氣液固三相界面的受力平衡，固相材料的親疏水性則是決定微孔內(nèi)氣液固三相界面運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵因素。針對(duì)具有一定親水性的金屬銅網(wǎng)，進(jìn)行超親水和超疏水處理；考察多孔結(jié)構(gòu)親疏水性對(duì)相界面以及氣液兩相分離效果的影響。結(jié)果表明，金屬銅網(wǎng)具有浸潤自相容性；經(jīng)過親疏水表面改性后，超親水性能阻擋氣泡的通過；超疏水性能的多孔銅網(wǎng)更易與氣體為伍，形成致密氣封膜，阻擋液體進(jìn)犯。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)定多孔絲網(wǎng)的浸潤自相容能力，接觸角為151°絲網(wǎng)，對(duì)液相阻滯力為117.6 N·m?2；接觸角為0°的超親水絲網(wǎng)對(duì)氣相阻滯力為49 N·m?2，并建立了多孔結(jié)構(gòu)浸潤自相容性與分離臨界氣泡尺寸的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)。

關(guān)鍵詞：兩相流；多孔膜；浸潤性；相界面；自相容性

2015-12-03收到初稿，2016-01-29收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：陳宏霞（1980—），女，博士，副教授。

Received date: 2015-12-03.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51576063, 51202082).

引　言

近年來，多孔金屬材料由于其具有質(zhì)輕、比表面積大、良好導(dǎo)熱性、可控孔隙率等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在基礎(chǔ)傳熱領(lǐng)域，同時(shí)利用其微結(jié)構(gòu)對(duì)多相流進(jìn)行引導(dǎo)、分離，從而強(qiáng)化相變傳熱更是其研究的新熱點(diǎn)。

多孔結(jié)構(gòu)能夠利用自身毛細(xì)泵力有效加快管式[1]、板式[2]、新型回路熱管[3-5]以及各種相變換熱器件[6-7]內(nèi)部工質(zhì)的循環(huán)速度，從而提高相變換熱器的熱性能。Kim等[8]研究了納米流體對(duì)熱管性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于納米流體在金屬絲網(wǎng)微孔結(jié)構(gòu)的沉積改變了其毛細(xì)泵力，從而使得在冷凝器熱阻保持不變的情況下，蒸發(fā)器熱阻降低了25%，熱管傳熱性能顯著提高。Chen等[9-10]利用多孔結(jié)構(gòu)對(duì)氣液兩相的分離作用，調(diào)控氣液兩相流型、降低液膜熱阻，強(qiáng)化冷凝傳熱性能。Xu等[3]設(shè)計(jì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)和溝槽間隔排布，利用毛細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)氣泡的阻擋，靈活控制相變傳熱過程中流體的流動(dòng)通道，提高蒸發(fā)器的傳熱性能。多孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)化相變傳熱其實(shí)質(zhì)為利用相分離過程調(diào)控相分布，從而降低傳熱熱阻。如何改變多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)泵力，調(diào)控相分離效果是其關(guān)鍵科學(xué)問題。

對(duì)于既定的多孔材料和氣液工質(zhì)，固相材料的親疏水性則是決定毛細(xì)泵力或氣液固三相界面運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵因素[11-13]，因此多孔結(jié)構(gòu)的親疏水性能越來越受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[14]。O’Hanley等[15]研究了表面粗糙度、親疏水性以及多孔結(jié)構(gòu)對(duì)沸騰臨界熱通量的影響，證明親水性多孔表面可將沸騰臨界熱通量提高至原來的1.5～1.6倍；疏水多孔金屬反而大大降低了沸騰臨界熱通量；指出多孔結(jié)構(gòu)空隙和毛細(xì)泵力是強(qiáng)化沸騰傳熱的根本。Cao等[16]制備了水接觸角為150°、油相接觸角為140°的超疏水和超疏油絲網(wǎng)；指出其分離效率可達(dá)到99.3%，同時(shí)具有較高壓降。La等[17-18]利用電化學(xué)方法制備了超疏水、超疏油銅網(wǎng)，強(qiáng)化油水分離效果。于志家等[19-20]采用噴涂-高溫塑化方法對(duì)不銹鋼絲網(wǎng)進(jìn)行改性，制備復(fù)合網(wǎng)膜，并考察了其對(duì)乳化液的破乳分離效果。

本文通過直接氧化法和氟硅烷改性調(diào)控多孔絲網(wǎng)的親疏水性，并搭建空氣-水兩相流可視實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考察多孔結(jié)構(gòu)親疏水性對(duì)氣液兩相流流動(dòng)及相分離性能的影響，為調(diào)控多孔結(jié)構(gòu)親疏水性，拓寬其在分離及強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1多孔絲網(wǎng)及表征方法

采用網(wǎng)格為方形，邊長為71 μm，絲線直徑為53 μm（200 PPI）的金屬紫銅網(wǎng)為基礎(chǔ)試樣，對(duì)其表面進(jìn)行超親疏水修飾。

試樣利用丙酮、去離子水超聲清洗；然后浸入2.0 mol·L?1的HCl水溶液去除氧化層，待用。制備金屬氧化液（NaClO2:NaOH:Na3PO4·12H2O:DI water質(zhì)量比為3.75:5:10:100）；試樣在96℃氧化液氧化15 min制備超親水絲網(wǎng)。利用全氟辛基硅烷（C8H4Cl3F13Si）液相沉積30 min對(duì)絲網(wǎng)進(jìn)行表面修飾，180℃熱處理20 min獲得超疏水絲網(wǎng)。

表面改性后金屬絲網(wǎng)的形貌和成分利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（Carl Zeiss GMBH）在15 kV成像電壓下測(cè)定；其親疏水性能利用MCA-3靜態(tài)接觸角儀（Kyowa Interface Science Co., Japan）和高速攝像（Photron UX100）進(jìn)行表征。高速攝像采集頻率1000幀/秒，分辨率為1280×720。

1.2兩相流實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖1所示為兩相流可視實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要由液相-水支路和氣相-空氣支路組成。液相水從溢流槽經(jīng)控制閥門至混合器流入可視實(shí)驗(yàn)段；首先根據(jù)伯努利方程計(jì)算確定初步溢流槽高度，通過改變其高度調(diào)節(jié)液相水的驅(qū)動(dòng)力和流速。具體工況則利用流量計(jì)測(cè)定其具體液相流速，流量計(jì)量程為0.04～0.25 m3·h?1，精度等級(jí)為0.5。

圖1　氣液兩相流可視實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1　Flow diagram of two-phase flow experimental rig

實(shí)驗(yàn)過程中利用溢流槽液面高度h1控制流速v2（1為溢流槽高度截面，2為可視實(shí)驗(yàn)段入口處截面，如圖1所示），根據(jù)伯努利方程式（1）估算流速數(shù)值。實(shí)驗(yàn)過程中液相閥門為全開狀態(tài)，忽略局部壓降，僅考慮沿程阻力壓降Δpf。

式中阻力系數(shù)按式（3）計(jì)算，其中常數(shù)C層流時(shí)取值64，湍流情況取值為0.3164。

得液相流速計(jì)算式

考慮實(shí)驗(yàn)段絲網(wǎng)截面直徑與導(dǎo)管直徑比，絲網(wǎng)截面處液相流速vm=v2/16。

壓縮空氣由壓力設(shè)備供給，待液相流速穩(wěn)定后調(diào)節(jié)減壓閥與體積流量計(jì)，經(jīng)過微細(xì)管進(jìn)入混合器。氣泡大小由微細(xì)管直徑、氣速、液速共同決定，本實(shí)驗(yàn)中選取微細(xì)管直徑為0.5 mm。利用高速攝像（Photron UX100：采集頻率1000幀/秒，分辨率為1280×720）捕捉氣液兩相通過絲網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)情況，利用Image-pro測(cè)定長度，精度為一個(gè)像素。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1多孔絲網(wǎng)浸潤特性

圖2所示為親疏水改性前后銅絲網(wǎng)的形貌。圖2（a）為銅絲網(wǎng)空白試樣，絲線表面僅呈現(xiàn)不完美表面微溝槽，沒有覆蓋層。經(jīng)過氧化液浸泡后絲網(wǎng)表面生成一層均勻氧化層。放大至4000倍可清晰看到氧化層由一層規(guī)則的刀片花結(jié)構(gòu)構(gòu)成，膜層厚度約2～3 μm。結(jié)合透射電鏡可知，單個(gè)刀片厚度為納米級(jí)，寬度為微米級(jí)，形狀為頂端略薄的菱形；多個(gè)菱形刀片按花瓣?duì)钆帕薪M成刀片花，其生長方向?yàn)榻z線圓周面的法線方向，且刀片花之間存在微米級(jí)空隙，如圖2（c）所示。此具有跨尺度微結(jié)構(gòu)的氧化膜層，使得絲網(wǎng)顯示了靜態(tài)接觸角為0°的超親水性能。在此基礎(chǔ)上利用全氟硅烷進(jìn)行修飾，使得試樣具有圖2（d）所示的超疏水性能（θ>150°）。

圖2　銅絲網(wǎng)親疏水改性前后的形貌Fig.2　Morphography of copper meshes before and after wettability modification

利用0.5 mm直徑微管滴落2 mm直徑液滴，檢測(cè)液滴在不同親疏水性絲網(wǎng)表面的運(yùn)動(dòng)行為。為消除液滴滴落勢(shì)能在網(wǎng)面造成的拍擊應(yīng)力，親水性網(wǎng)面采用接觸式滴落。當(dāng)液滴達(dá)到體積要求時(shí)，將微管下移直至液體下邊緣接觸到金屬網(wǎng)面。由圖3(a)可知，從液滴下邊緣接觸網(wǎng)面至液滴完全鋪張，僅需30 ms；肉眼的頻閃間隔是41 ms，即液滴在絲網(wǎng)表面的鋪展過程（30 ms）是未見即消失的超快鋪展。

圖3　液滴在不同浸潤性銅網(wǎng)表面的運(yùn)動(dòng)行為Fig. 3　Different movement of liquid drop on super-hydrophobic mesh surface

假設(shè)液滴在絲網(wǎng)表面鋪展后完全包裹絲網(wǎng)，絲網(wǎng)厚度即為液膜厚度δ；從點(diǎn)接觸到雙向以相同速度vp鋪展為邊長為a的正方形，所需時(shí)間t，其數(shù)學(xué)關(guān)系如式（5）所示，計(jì)算得親水絲網(wǎng)液體鋪展速度vp為3.5 m·s?1。

對(duì)于疏水表面，微管出口位于距離絲網(wǎng)表面16 mm的高度，同樣大小的液滴在20 s內(nèi)經(jīng)過3次彈跳后靜止于絲網(wǎng)表面，此時(shí)接觸角為150°。將微管刺入液滴內(nèi)部，利用液滴自身形狀變形所引起的表面張力變化，即可將液滴帶離絲網(wǎng)表面。

2.2兩相流實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為疏水絲網(wǎng)對(duì)氣液兩相流的分離實(shí)驗(yàn)，絲網(wǎng)固定于距離實(shí)驗(yàn)段頂端10 mm處，調(diào)節(jié)液相流速為0.25 m·s?1，控制氣泡平均直徑r為3.5 mm。如圖4所示，不同尺寸的氣泡1、2、3、4接觸到絲網(wǎng)后迅速被吸納到絲網(wǎng)內(nèi)部，在絲網(wǎng)厚度方向上形成一層氣膜；隨著氣泡不斷在絲網(wǎng)匯聚，氣膜所包裹氣體浮生力F及液相剪切力FT之和大于絲網(wǎng)毛細(xì)力FC，氣體脫離絲網(wǎng)。不同尺寸的氣泡從接觸絲網(wǎng)到被吸入所需時(shí)間不同，4個(gè)氣泡尺寸和吸入時(shí)間分別為：r1=2 mm, t1=200 ms; r2=2 mm, t2=200 ms; r3=4 mm, t3=730 ms; r4=3 mm, t4=370 ms。當(dāng)液相流速為0時(shí)，氣膜布滿整個(gè)絲網(wǎng)截面，如同隔離膜將上下液體隔離。此氣膜分離能力與絲網(wǎng)厚度、絲網(wǎng)孔尺寸、親水性能有關(guān)。

圖4　超疏水絲網(wǎng)對(duì)氣泡的吸引作用及對(duì)液體的阻擋作用Fig.4　Gas-attraction and liquid-resistance of super-hydrophobic mesh

絲網(wǎng)的親水性可使液滴以3.5 m·s?1的速度瞬間鋪展，在氣泡為分散相的兩相流中，液相完全浸潤入絲網(wǎng)表面的微納結(jié)構(gòu)，使得兩相咬合緊密。受氣液固三相接觸角的影響，當(dāng)氣泡上升至絲網(wǎng)邊緣時(shí)，無法穿過絲網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，被阻擋分離，如圖5所示。不斷上升的氣泡在絲網(wǎng)下匯聚合并，在液相剪切力、浮力、表面張力共同作用下，達(dá)到臨界氣泡尺寸，脫離絲網(wǎng)。

圖5　超親水絲網(wǎng)對(duì)氣泡的阻擋作用及對(duì)液體的浸潤作用Fig.5　Gas-resistance and liquid-attraction of super-hydrophobic mesh

表1所示為不同親疏水性絲網(wǎng)在不同液相流速情況下分離氣液兩相流情況，可知，疏水絲網(wǎng)對(duì)于氣泡的吸附速度主要取決于表面接觸角；氣泡被絲網(wǎng)吸入所需時(shí)間t隨氣泡直徑r的增大而增大；當(dāng)絲網(wǎng)吸納氣體體積到達(dá)內(nèi)部孔隙率和液相流速可允許最大值時(shí)，氣體脫離；受液相剪切力作用，絲網(wǎng)內(nèi)存儲(chǔ)氣體體積隨液相流速增大而減小。親水絲網(wǎng)對(duì)于氣泡的阻滯時(shí)間t受上升氣泡大小r、液相相對(duì)流速vm以及絲網(wǎng)阻擋氣體能力的影響；上升氣泡越小，匯聚至絲網(wǎng)臨界阻擋氣泡體積所需時(shí)間越長。但氣泡脫離半徑受液相速度和上升氣泡影響很小，主要取決于絲網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)參數(shù)和親疏水性能。

表1　液相流速對(duì)絲網(wǎng)分離兩相流性能的影響Table 1　Effect of liquid velocity on two-phase flow separation

2.3機(jī)理分析

絲網(wǎng)與光滑固體表面不同，其網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)為流體分離提供通道，同時(shí)網(wǎng)孔的尺寸和絲網(wǎng)親疏水性也直接決定其分離率。如圖6（a）所示，超疏水絲網(wǎng)易吸入空氣，并在每根絲網(wǎng)壁面包裹一層薄氣膜；一旦氣體接觸絲網(wǎng)時(shí)，氣泡迅速和絲網(wǎng)壁面的薄氣膜連通，并在界面張力Fσ作用下沿絲網(wǎng)平鋪展開（由狀態(tài)1到狀態(tài)2）；絲網(wǎng)吸收上升氣泡并在其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成氣膜隔離層，抑制水的通過。超親水絲網(wǎng)則易在金屬表面包裹一層液膜，氣體無法真正貼近金屬壁面，隨著氣液界面在網(wǎng)孔處曲率的增大，上升氣泡被親水絲網(wǎng)阻擋。隨著氣泡匯聚浮力的增大或界面剪切力做功到達(dá)臨界值，氣泡穿透網(wǎng)孔并重新匯聚、脫離，如圖6（b）狀態(tài)1到狀態(tài)2。

圖6　不同浸潤性絲網(wǎng)對(duì)兩相流上升氣泡的作用Fig.6　Effect of different meshes on bubbles in upward two-phase flow

本文將絲網(wǎng)等多孔介質(zhì)的這種依據(jù)自身浸潤性，選擇性吸入和排斥流體的性質(zhì)定義為浸潤自相容性；可利用絲網(wǎng)的浸潤自相容性分離不浸潤流體。絲網(wǎng)等多孔材料的浸潤自相容性取決于其孔尺寸、孔隙率以及其內(nèi)部親疏水性能；其對(duì)不浸潤流體的阻擋力大小可通過靜態(tài)阻滯流體柱的體積測(cè)定。液柱的重力或氣柱浮力大小即與絲網(wǎng)對(duì)不浸潤流體的阻擋力Fr數(shù)值相等，如式（6）所示；其中r為網(wǎng)孔當(dāng)量直徑，δ為多孔材料厚度，ε為多孔材料孔隙率，Vcir為被阻擋流體體積，ρl為液體密度，F(xiàn)r∝（δ, 1/r,ε）。

實(shí)驗(yàn)測(cè)定，超疏水絲網(wǎng)（θ=151°）可托舉12 mm的水柱不滲漏；超親水絲網(wǎng)（θ=0°浸潤后）則可維持絲網(wǎng)下5 mm的空氣柱不滲透；代入式（6）得超疏水絲網(wǎng)Fr=117.6 N·m?2，超親水絲網(wǎng)Fr=49 N·m?2。用絲網(wǎng)分離兩相流過程中，對(duì)到達(dá)絲網(wǎng)處不浸潤離散相進(jìn)行受力分析如圖7所示，流動(dòng)方向豎直向上，其所有合力可表示為

式中，F(xiàn)total為離散相所有合力，其方向向上；Fb為浮力，當(dāng)離散相為液體時(shí)，其值約為0；Fg為重力；Fr為由絲網(wǎng)浸潤自相容性引起的對(duì)離散相的阻滯力；Fs為連續(xù)流體對(duì)離散相界面處的剪切力，方向豎直向上為正值；可由式（8）計(jì)算。

圖7　分散相在絲網(wǎng)處的受力示意圖Fig.7　Force balance of dispersed phase under mesh

式中，ρd、Vd、rd、vd、ld分別為分散相的密度、體積、當(dāng)量半徑、速度和長度；ρc、vc為連續(xù)相密度和速度；Cv為與兩相流相對(duì)滑移速度相關(guān)的常數(shù)，Cv= 2π(vd?vc)/vd。在合力作用下，分散相要穿越絲網(wǎng)所需消耗功為

當(dāng)分散相到達(dá)絲網(wǎng)底部具有的動(dòng)能大于等于所需功時(shí)，絲網(wǎng)分散能力失效

將式（6）～式（9）代入式（10），可獲得分離作用失效時(shí)絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)δ、浸潤性能Vcir和流體速度與離散相臨界半徑rcir之間的關(guān)系式

對(duì)于本文中超疏水絲網(wǎng)（δ=0.053 mm，θ=151°，hm=12 mm），當(dāng)兩相流速分別為vl=0.34 m·s?1，vg=0.01 m·s?1時(shí)，計(jì)算得rcir=8.32 mm。將超親水絲網(wǎng)（δ=0.053 mm，θ=0°，hm=5 mm）代入式（11）計(jì)算獲得rcir=6.21 mm，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合，證明了數(shù)學(xué)模型的正確性。根據(jù)此關(guān)系式，臨界脫離直徑主要受絲網(wǎng)本身性質(zhì)和離散相在垂直絲網(wǎng)方向上的速度影響；合理控制絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和親疏水性，配合吸入液體的及時(shí)導(dǎo)離，可提高絲網(wǎng)對(duì)兩相流的分離效果。

3　結(jié)　論

本文通過改變絲網(wǎng)的親、疏水性，研究超親水和超疏水多孔結(jié)構(gòu)在兩相流分離中應(yīng)用。證明了金屬銅網(wǎng)具有浸潤自相容性；經(jīng)過親疏水表面改性后，接觸角為151°絲網(wǎng)，對(duì)液相阻滯力為117.6 N·m?2；接觸角為0°的超親水絲網(wǎng)對(duì)氣相阻滯力為49 N·m?2；通過分析兩相流中氣泡在不同浸潤性絲網(wǎng)表面的鋪展過程，解釋了浸潤性強(qiáng)化兩相流分離的原理，并建立了多孔結(jié)構(gòu)浸潤自相容性與分離失效時(shí)臨界氣泡尺寸的關(guān)系。親疏水改性后的多孔結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于各種場(chǎng)合，如超親水多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用于空氣除濕，超疏水多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用于去除不凝氣，具有很好的發(fā)展前景。下一步工作將定量研究多孔結(jié)構(gòu)孔隙率、孔徑及接觸角對(duì)其浸潤自相容性的影響，更好指導(dǎo)其實(shí)際應(yīng)用。

符號(hào)說明

C——常數(shù)

d——管道直徑，m

F——受力，N

g——重力加速度，m·s?2

h——流體液位高度，m

l——沿程管道長度，m

m——流體質(zhì)量，kg

p——流體壓降，Pa

r——?dú)馀莅霃?，m

t——時(shí)間，mm

融合DPI采集平臺(tái)，按照“單次分光、統(tǒng)一分流、標(biāo)準(zhǔn)化采集”統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)部署融合DPI采集設(shè)備，通過并接方式，采集運(yùn)營商的4張數(shù)據(jù)源網(wǎng)絡(luò)全部數(shù)據(jù)。運(yùn)營商就能更快速準(zhǔn)確的為各個(gè)政府部門提供源數(shù)據(jù)，保障我國信息和網(wǎng)絡(luò)安全，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定和保障經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)也能更好的為運(yùn)營商各類分析平臺(tái)提供大數(shù)據(jù)，提升運(yùn)營能力和降低成本。

V——流體體積，m3

v——流體流速，m·s?1

δ——多孔結(jié)構(gòu)厚度，m

ε——多孔結(jié)構(gòu)孔隙率

θ——接觸角，(°)

λ——流動(dòng)阻力系數(shù)，Pa·s

μ——流體黏度，Pa·s

ρ——流體密度，kg·m?3

下角標(biāo)

b——浮力方向

c——連續(xù)相

cir——臨界值

d——分散相

f——摩擦阻力

g——重力方向

m——絲網(wǎng)

p——液滴鋪展

r——絲網(wǎng)浸潤自相容性表現(xiàn)的阻滯力方向

res——絲網(wǎng)的阻滯性能

s——剪切力方向

total——合力方向

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Super-wettability meshes enhance movement of gas-liquid interface

CHEN Hongxia1,2, MA Fumin3, HUANG Linbin1
(1School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2The Beijing Key Laboratory of Multi-phase Flow and Heat Transfer, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;3School of Materials & Metallurgy, Hubei Polytechnic University, Huangshi 435003, Hubei, China)

Abstract:Using the porous materials to guide and separate multi-phase flow became a leading edge topic. The mechanism is the force balance of three-phase interface, in which the wettability of substrate is the key factor. An adiabatic and visible experiment flat form was built to study the effect of wettability on the phase interface movement and the separation with a super-hydrophobic and a super-hydrophilic mesh. As the result, the super-hydrophobic and super-hydrophilic mesh showed the self-compatibility. With this ability the super-hydrophilic mesh can block bubbles from flowing through, while the super-hydrophobic mesh can hold a column of liquid by counteracting gravity. Base on the stagnant experiment the super-hydrophobic mesh with a contact angle of 151° showed a resistance of 117.6 N·m?2to water, and the super-hydrophilic mesh (θ=0°) indicated a resistance of 49 N·m?2. During the two-phase flow experiment, the super-hydrophobic mesh showed an enhancement on separation of bubbles, while the super-hydrophilic mesh refused the penetration of bubbles with a layer of liquid film. A mathematic relation of self-compatibility of mesh and the critical diameter of separation was concluded. The modulation of wettability of porous mesh can promote the phases separating which will widen their applications on phase change heat transfer fields.

Key words:two-phase flow; porous film; wettability; phase interface; self-compatibility

中圖分類號(hào)：TK 121

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438—1157（2016）06—2318—07

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151827

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51576063，51202082）。

Corresponding author:CHEN Hongxia, hxchen@ncepu.edu.cn