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王硕林同学和沈园同学在《科学通报》发表论文

发布日期:2020-06-21

Leidenfrost现象是指液滴与过热表面接触时, 快速汽化的蒸汽层将液滴与表面隔离,使液滴在表面悬浮的现象。此种现象使得表面被蒸汽层覆盖,液滴换热能力急剧下降,表面温度飙升,严重时表面将被烧毁,对于实际工业应用而言, Leidenfrost现象大大降低了换热设备的换热效率, 同时也会影响系统运行的可靠性, 是一种急需抑制的不利现象。加之随着新材料和微纳技术的不断发展, 降低液滴直径到微米以下尺度以提高设备换热能力已成为重要需求, 因此急需探究纳米尺度液滴Leidenfrost现象的产生机理及抑制方法。

基于上述问题,华北电力大学工程热物理研究中心王硕林同学作为第一作者,沈园同学作为第二作者,何鑫同学作为第三作者,杨燕茹老师作为第四作者,王晓东教授作为通讯作者,在自然科学综合性学术期刊《科学通报》上发表题目为电场抑制纳米液滴的Leidenfrost现象的论文。

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【论文概述】

论文利用分子动力学模拟研究了纳米尺度液滴在亲水、中性和疏水表面上的Leidenfrost现象以及在不同润湿性表面上出现Leidenfrost现象的温度临界点,在此基础上,进一步探究了电场对不同润湿性表面上Leidenfrost现象的抑制作用。模拟结果表明,表面温度相同时,在亲水表面上的纳米液滴几乎全部蒸发,没有发生Leidenfrost现象;在中性和疏水表面上的纳米液滴均发生Leidenfrost现象,但疏水表面上发生Leidenfrost现象所需的时间远小于中性表面。进一步模拟发现当温度提高到一定程度时亲水表面也会发生明显的Leidenfrost现象,而疏水表面出现明显的Leidenfrost现象所需要的温度最低。在条形电极的作用下,纳米液滴在中性和疏水表面上的Leidenfrost现象均被抑制, 而疏水表面抑制Leidenfrost现象所需的电场强度高于中性表面。最后统计了中性和疏水表面在有无电场作用下液滴与表面的相互作用,结果表明施加电场的分子间相互作用总是强于无电场的分子间相互作用。

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液滴在不同润湿性表面上相变换热的快照

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电场作用下,液滴在不同润湿性表面Leidenfrost现象得到抑制

论文主要得出以下结论:(1)表面润湿性显著影响纳米尺度液滴的Leidenfrost现象,固体表面越亲水,越不易发生Leidenfrost现象,且发生Leidenfrost现象所需的表面温度越高, 因此提高表面浸润性可视为一种抑制Leidenfrost现象的主动式方法。(2)施加平行于表面的电场可有效抑制Leidenfrost现象,抑制的微观机理是电场强化了液滴分子与固体表面分子间的相互作用强度。

论文得到了国家自然科学基金重点项目(51936004),国家杰出青年科学基金(51525602),国家自然科学基金创新研究群体科学基金51821004),和中央高校基本科研业务费专项资金2017ZZD006的资助。


撰稿人:沈园