【优博微展2018】褚福强：微纳结构超疏水表面冷凝/融化液滴行为及其机理

褚福强：2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

微纳结构超疏水表面冷凝/融化液滴行为及其机理

Condensed & Melting Droplet Behavior and Its Mechanism on Micro-nano Structured Superhydrophobic Surfaces

作       者：褚福强          

指导教师：吴晓敏

培养院系：能源与动力工程系             

学       科：动力工程及工程热物理

读博感言：天道酬勤，不忘初心

研究背景/选题意义/研究价值

冷凝和结霜是自然界常见的现象，其亦广泛存在于能源电力、制冷低温、航空航天等工程领域。作为一种高效的传热模式，冷凝通常需要被强化；而冰霜则对诸多工业过程和设备危害甚大，且无法完全抑制，因此需定期融霜除冰。由于冷凝及融霜过程均涉及液滴与表面之间的相互作用，且超疏水表面具有独特的润湿性及良好的应用前景，本文对超疏水表面冷凝及融化液滴的行为及其机理展开研究，旨在掌握超疏水表面上冷凝及融化液滴的运动行为，揭示其物理机理，明确其与表面润湿性的关系，为强化传热、表面抑霜等工程应用提供理论指导和技术支撑。

主要研究内容

1. 金超疏水表面制备方法开发，金属基超疏水表面制备及其表面特性表征。

2. 超疏水表面冷凝液滴行为分类、表征、统计、理论建模及临界条件分析；冷凝液滴行为对液滴群生长特性的影响规律研究；多液滴合并触发弹跳现象的数值模拟及影响因素讨论。

3. 超疏水表面冻结液滴融化过程中的运动行为观测、建模与分析，以及融化液滴行为对表面排液的影响研究；超疏水表面融霜过程中融霜液膜的演化规律研究，融霜液膜特殊演化现象的机理分析。

4. 液滴行为与表面润湿性的相互关系探讨，新无量纲数的提出。

主要创新点

1. 提出了一种基于化学沉积-刻蚀法的金属基超疏水表面制备方法；

2. 研究了超疏水表面冷凝液滴的自推进扫掠行为，揭示了液滴扫掠和液滴弹跳对液滴群生长的影响规律；

3. 发现了超疏水表面冻结液滴融化过程中的旋转、跳跃、滑移等自推进行为，以及融霜过程中液膜的边缘卷曲现象和链式液滴不断裂现象，阐释了其物理机理；

4. 定义了一个新的无量纲数：Hy 数，不仅适用于表面与液滴相互作用现象的分析，而且有助于完善现有的润湿理论。

代表性学术发表

1. F.Q. Chu, X.M. Wu, et al., Meltwater evolution during defrosting on superhydrophobic surfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10(1): 1415-1421.

2. F.Q. Chu, X.M. Wu, et al., Dynamic melting of freezing droplets on ultraslippery superhydrophobic surfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(9): 8420-8425. 

3. F.Q. Chu, X.M. Wu, et al., Relationship between condensed droplet coalescence and surface wettability, Int. J. Heat Mass Transfer, 2017, 111: 836-841. 

4. F.Q. Chu, X.M. Wu, et al., Self-propelled droplet behavior during condensation on superhydrophobic surfaces, Appl. Phys. Lett., 2016, 108(19): 194103. 

5. F.Q. Chu, X.M. Wu, Fabrication and condensation characteristics of metallic superhydrophobic surface with hierarchical micro-nano structures, Appl. Surf. Sci., 2016, 371: 322-328. 

作者：褚福强

供图：褚福强

编辑：清华大学研究生院 周明坤  吴佳瑛  李文

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