雙疏水表面潤濕和傳熱動力學研究

齊文亮, 劉 琦, 趙海洋

(1.中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所, 西安 710068;2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心空氣動力學國家重點實驗室, 綿陽 621000;3.中國航空工業(yè)空氣動力研究院, 哈爾濱 150001)

1 引 言

超疏水表面具有自清潔、流體減阻、防水、防結(jié)冰以及防腐蝕等特性[1]. 研究人員對水滴在超疏水表面上的動態(tài)變化行為進行了廣泛的研究, 充分討論了超疏水表面特性對液滴撞擊過程的影響[2-5]. 飛機表面易結(jié)冰部位設(shè)計成超疏水表面, 可以大幅度減輕對防/除冰技術(shù)的依賴程度, 進而提高飛機的燃油經(jīng)濟性[6]. 疏水防冰微結(jié)構(gòu)表面設(shè)計、超疏水壁面湍流邊界層減阻機理等研究都為超疏水表面在飛機除冰的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ), 進一步推進了超疏水表面在航空領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展[7,8].

潤濕圖案化的超疏水表面存在兩種或多種不同的潤濕性區(qū)域(超疏水, 疏水, 親水與超親水), 能夠?qū)崿F(xiàn)定向液體傳輸、定向沉積以及局部增強的相變傳熱等, 實現(xiàn)所需的潤濕特性并控制結(jié)冰、換熱等行為, 在航空領(lǐng)域應(yīng)用中顯示出巨大的潛力[9-11]. 例如, 通過使用疏水微柱圖案的超疏水表面能夠延緩局部結(jié)霜和隨后的霜生長過程[12], 這有利于飛機局部防冰設(shè)計; 超疏水表面上的親水通道可以傳輸冷卻液并實現(xiàn)局部空間的冷卻控制, 同時增強了換熱能力[13], 為航空電子設(shè)備智能化冷卻設(shè)計提供思路; 射流冷卻與潤濕圖案化的超疏水表面的結(jié)合能夠在少量冷卻液供應(yīng)情況下有效提高冷卻效率[14], 這為冷卻資源有限、減重要求嚴格的航空電子設(shè)備的散熱提供了新的選擇. 盡管人們研究報道了潤濕圖案化的超疏水表面對液滴撞擊過程的影響, 但大多數(shù)研究都集中于接觸時間和表面特性[15，16]，潤濕圖案化的超疏水表面的傳熱機理尚不清楚, 傳熱行為的研究有待開展.

本文使用高速相機拍攝液滴撞擊雙疏水表面(具有疏水模式的超疏水基質(zhì))的順序圖像和完整液滴輪廓來深入了解液滴撞擊過程, 同時通過表面熱流量的空間分布分析撞擊過程中的熱傳遞. 本文通過研究不同表面溫度和撞擊高度下雙疏水表面的液滴潤濕和傳熱行為, 探索液滴潤濕表面的動力學與傳熱之間的關(guān)系, 為雙疏水表面在航空電子設(shè)備局部空間選擇性散熱的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ).

2 實驗方法

2.1 加熱器設(shè)計和表面處理

加熱器設(shè)計以及相應(yīng)的表面潤濕性處理過程如圖1所示. 加熱器由三部分組成：(1) 最底層為1.18 mm厚的氟化鈣玻璃; (2) 中間層為黑漆, 通過旋涂機均勻涂抹在氟化鈣玻璃上, 輪廓儀測其厚度為12 μm; (3) 最上層為厚度350 nm的鉻金屬層, 通過物理氣相沉積在黑漆頂部. 金屬鉻層上均勻噴涂超疏水試劑Glaco使得加熱器上表面變?yōu)槌杷砻鎇17]. 室溫下水滴在超疏水表面的靜態(tài)接觸角約為162°. 加熱器在通風櫥中干燥24 h后, 用鋁片(中間有36個0.8 mm的直徑圓孔)覆蓋在表面進行紫外線照射. 105 min后暴露區(qū)域的靜態(tài)接觸角約為90°, 此時暴露區(qū)域變?yōu)槭杷砻? 覆蓋區(qū)域還具有超疏水表面特性, 接觸角為162°保持不變. 移除鋁片后我們獲得具有疏水模式的超疏水表面, 即雙疏水表面. 表1為金屬鉻、黑漆和氟化鈣玻璃的物性參數(shù).

表1 熱物性參數(shù)Tab.1 Thermo-physical parameters

2.2 實驗裝置

實驗裝置的示意圖如圖2所示.液滴的側(cè)視圖像是使用Fastcam高速相機和佳能MP-E 65 mm f/2.8 1～5 倍微距鏡頭記錄的, 其空間分辨率為3.3 μm/像素, 10 000 幀/s. LED燈為液滴陰影成像提供了足夠的背景光. Telops紅外熱像儀(分辨率為30 μm/像素)以5000 幀/s的速度捕獲加熱器底部的溫度分布. 使用連接有針頭(直徑為0.16 mm)的注射泵來產(chǎn)生重力分離形成的撞擊水滴(直徑2.23±0.05 mm), 水滴在加熱器上方約40±1 mm, 80±1 mm, 120±1 mm的高度處. 液滴在重力作用下從針尖低落后撞擊到室溫下的加熱表面(表面溫度分別為：45±0.5 ℃, 60±0.5 ℃和75±0.5 ℃).

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

2.3 傳熱分析

為了從雙疏水表面溫度分布獲得熱傳遞信息, 將瞬態(tài)能量平衡應(yīng)用于每個紅外像素[17，18]. 每個紅外像素的上表面對流熱流量表示為：

(1)

qJ=I2R

(2)

(Tx,y,τ+1-Tx,y,τ)

(3)

(4)

(5)

式中,I為電流;R為電阻;Bpix為像素寬度;ρ為密度;C為比熱容;δ為厚度;T為溫度;k為傳熱系數(shù);hair為空氣對流擴散系數(shù); Cr表示金屬鉻; Bp表示黑漆; CF表示氟化鈣玻璃; air表示空氣.

2.4 數(shù)據(jù)分析與處理

本文中每個實驗至少重復(fù)3次, 以確保結(jié)果的可重復(fù)性. 從高速相機圖像比例我們得到液滴最大鋪展半徑并確定碰撞的時間. 已知紅外相機參數(shù)，從圖像對應(yīng)的時間我們得到不同時刻下熱表面溫度信息. 通過Matlab編寫程序計算我們得到碰撞過程中熱流密度變化情況. 用于熱流量計算的所有表面溫度均已通過公式校準, 此公式由紅外熱像儀測得的溫度和熱敏電偶測得的溫度擬合得到. 熱傳導(dǎo)計算對輸入溫度場的空間信號噪聲極其敏感, 本文公式(3)熱傳導(dǎo)計算僅采用5個不同的像素點, 容易產(chǎn)生噪聲, 因此我們根據(jù)文獻[19]的研究應(yīng)用高斯濾波器對溫度圖像進行降噪處理, 最終計算的熱流量誤差大約為5%～8%. 為了便于對比三種表面的實驗數(shù)據(jù), 分析三者的潤濕和傳熱特征, 本文中表面平均溫度、總熱流量和總傳熱量分別采用公式(6)、公式(7)和公式(8)計算.

(6)

(7)

(8)

式中,n為實驗觀測區(qū)域內(nèi)的像素個數(shù);TS,i為每個像素點的溫度;A(t*)為隨時間變化的液滴接觸面積.

3 實驗結(jié)果及分析

圖3所示為超疏水、疏水和雙疏水表面從側(cè)面觀測液滴撞擊過程的光學影像, 以及從底部觀測的相應(yīng)溫度和計算出的局部熱流量分布的圖像. 液滴碰撞高度為120 mm, 表面溫度為75 ℃, 圖像中比例標尺為0.8 mm. 從圖3可以清楚地看到, 液滴鋪展過程中的初始動態(tài)潤濕部分對于所有表面沒有明顯不同, 這主要源于此階段液滴運動以慣性為主. 撞擊的液滴在三個表面散布形成最大面積的液膜后, 只有超疏水表現(xiàn)液滴回縮并從表面反彈離開. 在非常接近接觸線區(qū)域, 三個表面都會產(chǎn)生較高的溫度梯度, 從而得到較高的熱流量, 這與文獻[20]觀測的結(jié)果相同. 在撞擊后期, 液滴從較小的接觸區(qū)域加速離開超疏水表面, 表面溫度迅速升高. 對于疏水表面, 在鋪展階段之后, 液滴會散逸其能量并粘在表面上, 冷卻面積比其他表面大得多, 熱量傳到液膜的時間也延長, 因此表面溫度降低得更多. 對于雙疏水表面, 最大熱流量不僅直接出現(xiàn)在接觸線周圍非常狹窄的區(qū)域, 還出現(xiàn)在鋪展階段的疏水區(qū)域. 在后退過程中, 疏水區(qū)較高的潤濕能力和較強的粘性耗散使得覆蓋在其上的液膜動能被耗散, 而超疏水區(qū)的液膜繼續(xù)運動, 從而導(dǎo)致疏水區(qū)與超疏水區(qū)不同的接觸線速度, 使得液膜破裂后在疏水區(qū)形成許多小衛(wèi)星液滴. 液滴的后退動態(tài)顯然取決于表面的不同潤濕特性.

圖3 不同時刻下: (a) 液滴圖像; (b) 表面溫度分布; (c) 表面熱流量分布Fig.3 (a) High-speed camera images of droplets, (b) corresponding temperature and (c) heat flux distributions at different time

圖4為不同表面液滴接觸線速度變化的情況. 特殊的潤濕特性使得雙疏水表面液滴的接觸線速度變化不一致. 因此, 本文雙疏水表面接觸線速度按照經(jīng)過疏水點的接觸線速度計算. 從圖4可以看出, 在鋪展階段, 三個表面的接觸線速度基本相同, 這與文獻[21]的實驗結(jié)果相同; 但是在回退階段, 三個表面之間的差異非常明顯. 在疏水表面, 液滴鋪展到最大面積后, 液滴鋪展成液膜并且不再回退, 其接觸線速度變?yōu)榱? 對于超疏水, 液滴鋪展階段存儲的表面能轉(zhuǎn)為動能, 使得接觸線反向運動, 其速度迅速增加, 達到峰值后逐漸減小. 但是, 雙疏水表面上的液滴回退經(jīng)過疏水點時, 覆蓋在疏水點的液膜部分動能被耗散, 速度變小, 而超疏水區(qū)的液膜繼續(xù)運動, 最后兩部分液膜被扯開, 接觸線速度出現(xiàn)瞬間的跳變, 隨后迅速變?yōu)榱? 這主要與疏水和雙疏水表面潤濕特性不同有較大關(guān)系. 本文其他實驗工況下, 雙疏水表面都出現(xiàn)相同的接觸線速度變化情況.

圖4 不同表面液滴接觸線速度變化Fig.4 Transient behavior of contact line velocity for droplets with different surfaces

圖5展示了液滴撞擊三種表面時接觸面積的瞬態(tài)行為. 與鋪展階段相比, 回退階段液滴的接觸面積差異很大. 在鋪展到最大接觸面積后, 超疏水表面液滴因受到液滴表面能和被壓空氣的作用逐漸回縮, 導(dǎo)致接觸面積較小, 直至液滴完全彈起, 接觸面積變?yōu)榱? 這與液滴撞擊疏水表面形成了鮮明對比, 疏水表面液滴保持固定在區(qū)域上, 接觸面積大致恒定. 對于雙疏水表面, 當液膜快速向內(nèi)收縮時, 粘在疏水點上的部分液體被分離成一些較小的衛(wèi)星液滴, 這就增加了雙疏水表面的接觸面積, 而超疏水區(qū)域液滴的其余部分繼續(xù)收縮. 由于疏水點區(qū)域的能量耗散, 回退的部分液滴并不能像超疏水表面一樣完全彈開, 因此在雙疏水表面上形成了如圖4所示的液柱.

圖5 不同表面液滴接觸面積變化Fig.5 Transient behavior of contact area for droplets with different surfaces

表2為不同實驗工況下不同表面的液滴最大鋪展半徑和對應(yīng)的鋪展時間. 從表2數(shù)據(jù)可以看出, 不同溫度下三個表面最大鋪展半徑都在2.6～2.8 mm的范圍內(nèi), 最大鋪展時間僅相差0.04 ms. 即表面溫度升高, 每個表面的最大鋪展半徑和鋪展時間都幾乎相同, 這就表明表面溫度對最大鋪展半徑和鋪展時間的影響很小, 這與之前的研究[21，22]非常一致. 由于液滴鋪展是慣性主導(dǎo)的, 因此粘度和表面張力隨溫度的輕微變化不會影響其動力學, 表面潤濕性的變化僅起次要作用. 此結(jié)果與之前關(guān)于液滴在紋理和潤濕性圖案表面上的撞擊和鋪展的實驗和數(shù)值結(jié)果[23-25]非常一致. 實驗結(jié)果表明, 在不同溫度條件下, 所有表面在鋪展階段都具有相同的潤濕特性. 本文所有實驗樣品都具有相同的表面紋理, 只是表面化學性質(zhì)不同. 因此, 三個表面的最大鋪展半徑都隨著液滴高度的增加而增加, 而最大鋪展時間差異非常小, 這與文獻[26]的研究結(jié)果一致. 對比三個不同表面的實驗結(jié)果可以得出, 在整個鋪展階段, 三個表面的潤濕特性都相似, 表面溫度并不能對表面潤濕特性產(chǎn)生較大的影響, 鋪展時間幾乎與沖擊高度無關(guān), 也與表面溫度無關(guān).

表2 不同表面的最大鋪展半徑和對應(yīng)的時間Tab.2 Spreading radii and corresponding spreading time for different surfaces

圖6為不同實驗工況下, 三種表面最大鋪展和最大回退時刻表面平均溫度和總熱流量的變化情況. 上文的分析已經(jīng)表明, 表面溫度并不能對鋪展階段表面潤濕特性產(chǎn)生較大的影響, 三種表面的鋪展速度相同, 接觸面積在最大鋪展時刻幾乎相同. 因此, 三種表面在最大鋪展時刻的傳熱行為相似. 圖6a的統(tǒng)計結(jié)果也證實了這個觀點. 從圖6a可以看出, 在不同表面溫度下, 三種表面最大鋪展時刻的表面平均溫度、總熱流量等結(jié)果之間相差很小. 但三種表面最大回退時刻的表面平均溫度和總熱流量, 都與最大鋪展時刻有著較大的差異. 超疏水表面液滴完全彈開表面, 所以在最大回退時刻總熱流量最小. 疏水表面液滴完全鋪展開, 有足夠的時間進行熱交換, 因此表面平均溫度最低, 總熱流量最大. 而雙疏水表面有許多小衛(wèi)星液滴, 這些小液滴能夠增加接觸面積, 因此, 與超疏水表面相比, 雙疏水表面的換熱效果更強. 圖6b為不同撞擊高度下三種表面的瞬時換熱情況. 從圖6b中數(shù)據(jù)可以得出以下兩個結(jié)論：首先, 隨碰撞高度的增加, 三個表面最大鋪展和最大回退時刻的表面平均溫度都降低, 總熱流量都增加. 撞擊高度增加, 液體和表面之間傳熱的可用面積增加, 因此撞擊高度越高傳熱量越多. 同時更高的撞擊高度導(dǎo)致液膜更薄, 這同樣影響了表面的傳熱效果. 其次, 三個表面最大回退時刻的傳熱特性差異隨撞擊高度的增加而逐漸增大. 表2的數(shù)據(jù)表明碰撞高度的增加并不能影響三個表面最大鋪展時刻的接觸面積, 同時整個鋪展過程的接觸時間相同, 因此, 三個表面在最大鋪展時刻的傳熱特性相同. 但回退階段由于表面潤濕特性的差異, 使得不同碰撞高度下, 三個表面存在的液體體積不同. 高度越高疏水表面存在的液體越多, 因此總熱流量越大. 盡管液滴撞擊高度增加, 但超疏水表面在回退階段不會存在液滴, 總熱流量也就不會發(fā)生太大變化.

圖6 不同實驗工況下表面平均溫度和總熱流量的變化Fig.6 Transient behaviors of average temperature and total heat flux for different experiment conditions

從圖7中可以清楚地看到不同實驗條件下表面總傳熱量的變化, 定量地顯示了三個表面的總能量瞬態(tài)行為的較大差異. 圖7a為三個表面整個碰撞過程中的總傳輸熱量對比. 超疏水表面大約78.5%的熱量傳遞都發(fā)生在鋪展階段, 而疏水和雙疏水鋪展階段的熱量傳遞只占整個碰撞過程能量傳遞的32.3%和48.3%. 盡管超疏水鋪展階段的總傳輸熱量占比較大, 但數(shù)值上與疏水和雙疏水表面大致相當. 疏水和雙疏水在回退階段傳輸?shù)臒崃慷驾^多, 尤其是疏水表面, 其總傳熱量約為超疏水的3倍多. 回退階段由于表面特性的不同, 液滴平鋪在疏水表面, 更多的熱量用于穩(wěn)態(tài)液滴的蒸發(fā), 而超疏水表面更多的熱量發(fā)生于瞬態(tài)的熱量傳遞, 二者傳熱機理存在明顯的不同. 雙疏水同時具有超疏水和疏水的特性, 使其同時存在穩(wěn)態(tài)蒸發(fā)和瞬態(tài)傳熱的雙重傳熱機理, 傳熱情況更加復(fù)雜. 與超疏水表面相比, 雙疏水表面可以提高1.5倍的傳熱量. 這主要源于雙疏水表面的潤濕特性導(dǎo)致一些小液滴留在表面上, 從而導(dǎo)致更大的傳熱能量. 從圖7b可以看出, 碰撞高度越高, 雙疏水表面的總傳輸熱量越大, 鋪展階段的傳熱占比越大. 這主要與碰撞高度越高, 液滴與雙疏水表面有效接觸面積越大, 同時鋪展的液膜越薄越有利傳熱有關(guān). 但是在后退階段, 液滴向先前潤濕的區(qū)域移動, 這導(dǎo)致較低的熱流量, 因此總能量不會隨著沖擊高度的增加而增加太多. 如預(yù)期的那樣, 圖7c可以看出總能量隨著表面溫度的升高而增加, 這是因為液體和表面之間進行熱傳遞的熱流量隨表面溫度升高而升高.

圖7 不同條件下傳輸?shù)目偀崃孔兓疐ig.7 Transient behaviors of total energy for surface under different conditions

4 結(jié) 論

本文定量地給出了液滴撞擊超疏水、疏水和雙疏水表面潤濕過程中的能量傳遞, 對雙疏水表面在航空領(lǐng)域中的理論與應(yīng)用研究, 尤其是在探索電子設(shè)備空間選擇性冷卻方面, 具有一定的推動作用. 此外, 我們分析了表面溫度和撞擊高度對液滴撞擊不同表面過程的影響. 本文結(jié)論如下：

(1) 三種表面在鋪展階段都具有相同的潤濕特性, 但潤濕差異主要發(fā)生在回退階段. 雙疏水表面的特殊潤濕特性使得回退液膜產(chǎn)生了一些小液滴.

(2) 三種表面液滴的接觸面積在鋪展階段相同, 但在回退階段表現(xiàn)出完全不同的變化趨勢; 表面溫度變化并不能對鋪展階段表面潤濕特性產(chǎn)生較大的影響; 液滴鋪展時間幾乎與沖擊高度無關(guān), 也與表面溫度無關(guān).

(3) 三個表面在鋪展階段的傳熱行為相似, 最大鋪展時刻的表面平均溫度、總熱流量等結(jié)果之間相差很小. 在回退階段, 由于表面潤濕特性的差異, 使得三個表面之間的傳熱特性明顯不同.

(4) 雙疏水表面特殊潤濕特性使得回退階段液膜的接觸線速度存在跳變現(xiàn)象, 形成了許多小液滴, 增加了接觸面積, 同時又兼具了超疏水表面的回彈特性. 通過控制表面潤濕特性我們可以有效控制潤濕行為和熱量傳遞, 這為飛機緊湊型電子設(shè)備的空間選擇性冷卻提供了新的設(shè)計思路.