双疏水表面润湿和传热动力学研究

2022-02-10齐文亮赵海洋

四川大学学报（自然科学版） 2022年1期

齐文亮, 刘琦, 赵海洋

(1.中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所, 西安 710068;2.中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室, 绵阳 621000;3.中国航空工业空气动力研究院, 哈尔滨 150001)

1 引言

超疏水表面具有自清洁、流体减阻、防水、防结冰以及防腐蚀等特性[1]. 研究人员对水滴在超疏水表面上的动态变化行为进行了广泛的研究, 充分讨论了超疏水表面特性对液滴撞击过程的影响[2-5]. 飞机表面易结冰部位设计成超疏水表面, 可以大幅度减轻对防/除冰技术的依赖程度, 进而提高飞机的燃油经济性[6]. 疏水防冰微结构表面设计、超疏水壁面湍流边界层减阻机理等研究都为超疏水表面在飞机除冰的应用提供了理论基础, 进一步推进了超疏水表面在航空领域的应用发展[7,8].

润湿图案化的超疏水表面存在两种或多种不同的润湿性区域(超疏水, 疏水, 亲水与超亲水), 能够实现定向液体传输、定向沉积以及局部增强的相变传热等, 实现所需的润湿特性并控制结冰、换热等行为, 在航空领域应用中显示出巨大的潜力[9-11]. 例如, 通过使用疏水微柱图案的超疏水表面能够延缓局部结霜和随后的霜生长过程[12], 这有利于飞机局部防冰设计; 超疏水表面上的亲水通道可以传输冷却液并实现局部空间的冷却控制, 同时增强了换热能力[13], 为航空电子设备智能化冷却设计提供思路; 射流冷却与润湿图案化的超疏水表面的结合能够在少量冷却液供应情况下有效提高冷却效率[14], 这为冷却资源有限、减重要求严格的航空电子设备的散热提供了新的选择. 尽管人们研究报道了润湿图案化的超疏水表面对液滴撞击过程的影响, 但大多数研究都集中于接触时间和表面特性[15，16]，润湿图案化的超疏水表面的传热机理尚不清楚, 传热行为的研究有待开展.

本文使用高速相机拍摄液滴撞击双疏水表面(具有疏水模式的超疏水基质)的顺序图像和完整液滴轮廓来深入了解液滴撞击过程, 同时通过表面热流量的空间分布分析撞击过程中的热传递. 本文通过研究不同表面温度和撞击高度下双疏水表面的液滴润湿和传热行为, 探索液滴润湿表面的动力学与传热之间的关系, 为双疏水表面在航空电子设备局部空间选择性散热的应用提供了理论基础.

2 实验方法

2.1 加热器设计和表面处理

加热器设计以及相应的表面润湿性处理过程如图1所示. 加热器由三部分组成：(1) 最底层为1.18 mm厚的氟化钙玻璃; (2) 中间层为黑漆, 通过旋涂机均匀涂抹在氟化钙玻璃上, 轮廓仪测其厚度为12 μm; (3) 最上层为厚度350 nm的铬金属层, 通过物理气相沉积在黑漆顶部. 金属铬层上均匀喷涂超疏水试剂Glaco使得加热器上表面变为超疏水表面[17]. 室温下水滴在超疏水表面的静态接触角约为162°. 加热器在通风橱中干燥24 h后, 用铝片(中间有36个0.8 mm的直径圆孔)覆盖在表面进行紫外线照射. 105 min后暴露区域的静态接触角约为90°, 此时暴露区域变为疏水表面. 覆盖区域还具有超疏水表面特性, 接触角为162°保持不变. 移除铝片后我们获得具有疏水模式的超疏水表面, 即双疏水表面. 表1为金属铬、黑漆和氟化钙玻璃的物性参数.

表1 热物性参数Tab.1 Thermo-physical parameters

2.2 实验装置

实验装置的示意图如图2所示.液滴的侧视图像是使用Fastcam高速相机和佳能MP-E 65 mm f/2.8 1～5 倍微距镜头记录的, 其空间分辨率为3.3 μm/像素, 10 000 帧/s. LED灯为液滴阴影成像提供了足够的背景光. Telops红外热像仪(分辨率为30 μm/像素)以5000 帧/s的速度捕获加热器底部的温度分布. 使用连接有针头(直径为0.16 mm)的注射泵来产生重力分离形成的撞击水滴(直径2.23±0.05 mm), 水滴在加热器上方约40±1 mm, 80±1 mm, 120±1 mm的高度处. 液滴在重力作用下从针尖低落后撞击到室温下的加热表面(表面温度分别为：45±0.5 ℃, 60±0.5 ℃和75±0.5 ℃).

图2 实验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

2.3 传热分析

为了从双疏水表面温度分布获得热传递信息, 将瞬态能量平衡应用于每个红外像素[17，18]. 每个红外像素的上表面对流热流量表示为：

(1)

qJ=I2R

(2)

(Tx,y,τ+1-Tx,y,τ)

(3)

(4)

(5)

式中,I为电流;R为电阻;Bpix为像素宽度;ρ为密度;C为比热容;δ为厚度;T为温度;k为传热系数;hair为空气对流扩散系数; Cr表示金属铬; Bp表示黑漆; CF表示氟化钙玻璃; air表示空气.

2.4 数据分析与处理

本文中每个实验至少重复3次, 以确保结果的可重复性. 从高速相机图像比例我们得到液滴最大铺展半径并确定碰撞的时间. 已知红外相机参数，从图像对应的时间我们得到不同时刻下热表面温度信息. 通过Matlab编写程序计算我们得到碰撞过程中热流密度变化情况. 用于热流量计算的所有表面温度均已通过公式校准, 此公式由红外热像仪测得的温度和热敏电偶测得的温度拟合得到. 热传导计算对输入温度场的空间信号噪声极其敏感, 本文公式(3)热传导计算仅采用5个不同的像素点, 容易产生噪声, 因此我们根据文献[19]的研究应用高斯滤波器对温度图像进行降噪处理, 最终计算的热流量误差大约为5%～8%. 为了便于对比三种表面的实验数据, 分析三者的润湿和传热特征, 本文中表面平均温度、总热流量和总传热量分别采用公式(6)、公式(7)和公式(8)计算.

(6)

(7)

(8)

式中,n为实验观测区域内的像素个数;TS,i为每个像素点的温度;A(t*)为随时间变化的液滴接触面积.

3 实验结果及分析

图3所示为超疏水、疏水和双疏水表面从侧面观测液滴撞击过程的光学影像, 以及从底部观测的相应温度和计算出的局部热流量分布的图像. 液滴碰撞高度为120 mm, 表面温度为75 ℃, 图像中比例标尺为0.8 mm. 从图3可以清楚地看到, 液滴铺展过程中的初始动态润湿部分对于所有表面没有明显不同, 这主要源于此阶段液滴运动以惯性为主. 撞击的液滴在三个表面散布形成最大面积的液膜后, 只有超疏水表现液滴回缩并从表面反弹离开. 在非常接近接触线区域, 三个表面都会产生较高的温度梯度, 从而得到较高的热流量, 这与文献[20]观测的结果相同. 在撞击后期, 液滴从较小的接触区域加速离开超疏水表面, 表面温度迅速升高. 对于疏水表面, 在铺展阶段之后, 液滴会散逸其能量并粘在表面上, 冷却面积比其他表面大得多, 热量传到液膜的时间也延长, 因此表面温度降低得更多. 对于双疏水表面, 最大热流量不仅直接出现在接触线周围非常狭窄的区域, 还出现在铺展阶段的疏水区域. 在后退过程中, 疏水区较高的润湿能力和较强的粘性耗散使得覆盖在其上的液膜动能被耗散, 而超疏水区的液膜继续运动, 从而导致疏水区与超疏水区不同的接触线速度, 使得液膜破裂后在疏水区形成许多小卫星液滴. 液滴的后退动态显然取决于表面的不同润湿特性.

图3 不同时刻下: (a) 液滴图像; (b) 表面温度分布; (c) 表面热流量分布Fig.3 (a) High-speed camera images of droplets, (b) corresponding temperature and (c) heat flux distributions at different time

图4为不同表面液滴接触线速度变化的情况. 特殊的润湿特性使得双疏水表面液滴的接触线速度变化不一致. 因此, 本文双疏水表面接触线速度按照经过疏水点的接触线速度计算. 从图4可以看出, 在铺展阶段, 三个表面的接触线速度基本相同, 这与文献[21]的实验结果相同; 但是在回退阶段, 三个表面之间的差异非常明显. 在疏水表面, 液滴铺展到最大面积后, 液滴铺展成液膜并且不再回退, 其接触线速度变为零. 对于超疏水, 液滴铺展阶段存储的表面能转为动能, 使得接触线反向运动, 其速度迅速增加, 达到峰值后逐渐减小. 但是, 双疏水表面上的液滴回退经过疏水点时, 覆盖在疏水点的液膜部分动能被耗散, 速度变小, 而超疏水区的液膜继续运动, 最后两部分液膜被扯开, 接触线速度出现瞬间的跳变, 随后迅速变为零. 这主要与疏水和双疏水表面润湿特性不同有较大关系. 本文其他实验工况下, 双疏水表面都出现相同的接触线速度变化情况.

图4 不同表面液滴接触线速度变化Fig.4 Transient behavior of contact line velocity for droplets with different surfaces

图5展示了液滴撞击三种表面时接触面积的瞬态行为. 与铺展阶段相比, 回退阶段液滴的接触面积差异很大. 在铺展到最大接触面积后, 超疏水表面液滴因受到液滴表面能和被压空气的作用逐渐回缩, 导致接触面积较小, 直至液滴完全弹起, 接触面积变为零. 这与液滴撞击疏水表面形成了鲜明对比, 疏水表面液滴保持固定在区域上, 接触面积大致恒定. 对于双疏水表面, 当液膜快速向内收缩时, 粘在疏水点上的部分液体被分离成一些较小的卫星液滴, 这就增加了双疏水表面的接触面积, 而超疏水区域液滴的其余部分继续收缩. 由于疏水点区域的能量耗散, 回退的部分液滴并不能像超疏水表面一样完全弹开, 因此在双疏水表面上形成了如图4所示的液柱.

图5 不同表面液滴接触面积变化Fig.5 Transient behavior of contact area for droplets with different surfaces

表2为不同实验工况下不同表面的液滴最大铺展半径和对应的铺展时间. 从表2数据可以看出, 不同温度下三个表面最大铺展半径都在2.6～2.8 mm的范围内, 最大铺展时间仅相差0.04 ms. 即表面温度升高, 每个表面的最大铺展半径和铺展时间都几乎相同, 这就表明表面温度对最大铺展半径和铺展时间的影响很小, 这与之前的研究[21，22]非常一致. 由于液滴铺展是惯性主导的, 因此粘度和表面张力随温度的轻微变化不会影响其动力学, 表面润湿性的变化仅起次要作用. 此结果与之前关于液滴在纹理和润湿性图案表面上的撞击和铺展的实验和数值结果[23-25]非常一致. 实验结果表明, 在不同温度条件下, 所有表面在铺展阶段都具有相同的润湿特性. 本文所有实验样品都具有相同的表面纹理, 只是表面化学性质不同. 因此, 三个表面的最大铺展半径都随着液滴高度的增加而增加, 而最大铺展时间差异非常小, 这与文献[26]的研究结果一致. 对比三个不同表面的实验结果可以得出, 在整个铺展阶段, 三个表面的润湿特性都相似, 表面温度并不能对表面润湿特性产生较大的影响, 铺展时间几乎与冲击高度无关, 也与表面温度无关.

表2 不同表面的最大铺展半径和对应的时间Tab.2 Spreading radii and corresponding spreading time for different surfaces

图6为不同实验工况下, 三种表面最大铺展和最大回退时刻表面平均温度和总热流量的变化情况. 上文的分析已经表明, 表面温度并不能对铺展阶段表面润湿特性产生较大的影响, 三种表面的铺展速度相同, 接触面积在最大铺展时刻几乎相同. 因此, 三种表面在最大铺展时刻的传热行为相似. 图6a的统计结果也证实了这个观点. 从图6a可以看出, 在不同表面温度下, 三种表面最大铺展时刻的表面平均温度、总热流量等结果之间相差很小. 但三种表面最大回退时刻的表面平均温度和总热流量, 都与最大铺展时刻有着较大的差异. 超疏水表面液滴完全弹开表面, 所以在最大回退时刻总热流量最小. 疏水表面液滴完全铺展开, 有足够的时间进行热交换, 因此表面平均温度最低, 总热流量最大. 而双疏水表面有许多小卫星液滴, 这些小液滴能够增加接触面积, 因此, 与超疏水表面相比, 双疏水表面的换热效果更强. 图6b为不同撞击高度下三种表面的瞬时换热情况. 从图6b中数据可以得出以下两个结论：首先, 随碰撞高度的增加, 三个表面最大铺展和最大回退时刻的表面平均温度都降低, 总热流量都增加. 撞击高度增加, 液体和表面之间传热的可用面积增加, 因此撞击高度越高传热量越多. 同时更高的撞击高度导致液膜更薄, 这同样影响了表面的传热效果. 其次, 三个表面最大回退时刻的传热特性差异随撞击高度的增加而逐渐增大. 表2的数据表明碰撞高度的增加并不能影响三个表面最大铺展时刻的接触面积, 同时整个铺展过程的接触时间相同, 因此, 三个表面在最大铺展时刻的传热特性相同. 但回退阶段由于表面润湿特性的差异, 使得不同碰撞高度下, 三个表面存在的液体体积不同. 高度越高疏水表面存在的液体越多, 因此总热流量越大. 尽管液滴撞击高度增加, 但超疏水表面在回退阶段不会存在液滴, 总热流量也就不会发生太大变化.

图6 不同实验工况下表面平均温度和总热流量的变化Fig.6 Transient behaviors of average temperature and total heat flux for different experiment conditions

从图7中可以清楚地看到不同实验条件下表面总传热量的变化, 定量地显示了三个表面的总能量瞬态行为的较大差异. 图7a为三个表面整个碰撞过程中的总传输热量对比. 超疏水表面大约78.5%的热量传递都发生在铺展阶段, 而疏水和双疏水铺展阶段的热量传递只占整个碰撞过程能量传递的32.3%和48.3%. 尽管超疏水铺展阶段的总传输热量占比较大, 但数值上与疏水和双疏水表面大致相当. 疏水和双疏水在回退阶段传输的热量都较多, 尤其是疏水表面, 其总传热量约为超疏水的3倍多. 回退阶段由于表面特性的不同, 液滴平铺在疏水表面, 更多的热量用于稳态液滴的蒸发, 而超疏水表面更多的热量发生于瞬态的热量传递, 二者传热机理存在明显的不同. 双疏水同时具有超疏水和疏水的特性, 使其同时存在稳态蒸发和瞬态传热的双重传热机理, 传热情况更加复杂. 与超疏水表面相比, 双疏水表面可以提高1.5倍的传热量. 这主要源于双疏水表面的润湿特性导致一些小液滴留在表面上, 从而导致更大的传热能量. 从图7b可以看出, 碰撞高度越高, 双疏水表面的总传输热量越大, 铺展阶段的传热占比越大. 这主要与碰撞高度越高, 液滴与双疏水表面有效接触面积越大, 同时铺展的液膜越薄越有利传热有关. 但是在后退阶段, 液滴向先前润湿的区域移动, 这导致较低的热流量, 因此总能量不会随着冲击高度的增加而增加太多. 如预期的那样, 图7c可以看出总能量随着表面温度的升高而增加, 这是因为液体和表面之间进行热传递的热流量随表面温度升高而升高.