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受植物启发的更高效的热冷却方法

时间:2022-03-26 16:25:07 来源:

研究蒸发:麦凯维工程学院的机械工程师将类似于荷叶(上图)中的特性与玫瑰花瓣上的特性相结合,以寻找更有效的液滴从表面蒸发的方法。

麦凯维工程机械工程师创造了生物启发式蒸发技术

当水滴碰到荷叶的表面时,它们会形成小珠并滚动下来,并沿途收集灰尘颗粒。相反,玫瑰花瓣上的水滴也形成珠子,但仍固定在花瓣的表面。圣路易斯华盛顿大学的机械工程师结合了这两个概念,以找到一种更有效的方法来使液滴从表面蒸发。

麦凯维工程学院机械工程与材料科学助理教授帕特里夏·维森塞(Patricia Weisensee)最初计划在表面上建立一种图案,该图案既可以排斥类似于荷叶的液体,也可以排斥类似于玫瑰花瓣的针状小滴,从而在雨滴等液滴撞击过程中影响润湿。就像荷叶一样,当水撞击到驱虫剂或超疏水性表面时,水滴容易反弹,类似于经过处理的挡风玻璃上的雨水。在传热和蒸发中,由于水与表面之间的接触时间短,这些超疏水表面效率很低。相反,当液体与可以润湿的亲水性表面接触时,它会散布在整个表面上,形成液体水坑,并需要很长时间才能蒸发。Weisensee希望创建一种具有排斥和润湿特性的表面,该表面将产生小的子滴,并结合两种类型的表面的优点:润湿表面上的液滴钉扎和蒸发,而没有淹没整个排斥表面的风险。然后,她观察了它们的行为,以了解更多有关蒸发的信息,该蒸发是高科技电子设备热管理的一种冷却方法。

她的工作结果于2019年12月20日在Langmuir在线发布。

Weisensee和她的合著者,来自中国哈尔滨大学的客座博士生Qi Wenliang Qi和机械工程与材料科学专业的McKelvey Engineering博士生Li Junhui将一滴水放在他们加热的水平表面上具有润湿性和排斥性的设计。他们使用光学和红外成像技术研究了液滴的行为,包括液滴的大小和形状以及温度,传热和蒸发速率。

Patricia Weisensee和她的实验室研究了固定在垂直表面上的液滴的温度和蒸发行为。

Weisensee说:“在水平表面上,一切都很好且对称,并且表现出我们期望的样子。”“但是我们决定在垂直表面上放置一个液滴,我们看到了截然不同的行为。”

该团队创建了一个表面,该表面在超疏水表面的中心具有一个稍微亲水的斑点,使液滴固定在该表面上。如果没有自定义图案,重力将导致液滴沿表面滚动。

“我们看到的是,突然之间,热信号不再对称,这与我们的预期相反,” Weisensee说。“我们看到液滴底部的温度较低,而顶部的温度较高,这意味着尽管较高的接触角和周围空气的蒸发限制“楔形效应”,但底部的传热仍高于顶部。 。

他们向液滴中添加了小颗粒,以便能够看到内部对流的流动。

她说:“我们看到水流从水滴的底部到顶部,从浮力的角度来看是没有意义的,因为热水比冷水轻。”“它应该自我稳定,而较冷的水会停留在底部。显然,解决这一明显矛盾的答案必须在其他地方。”

通过计算流体动力学模拟,研究小组发现,由于潮湿空气的密度较低,加热后的垂直表面上的蒸汽饱和空气在液滴周围形成了火焰形状。

Weisensee说:“由于液滴周围的蒸气流动,这将更多蒸气置于顶部。”“当液滴顶部周围有更多的蒸气时,水的蒸发就不那么容易了,因为已经有那么多蒸气,因此蒸发速率受到限制。但是,在底部,您会不断去除蒸气,因为它将上升到顶部。”

Weisensee说,由于改进的流动和热特征,垂直液滴的蒸发效率比水平液滴的蒸发效率高约10%。

这项工作的见解可以帮助指导喷雾冷却装置的未来设计,或在基于蒸发的制造技术期间用于改变颗粒沉积模式。

参考:齐文良,李俊辉和Patricia B. Weisensee的“水平和垂直双疏水图案表面上无水水滴的蒸发”,2019年12月6日,朗缪尔。DOI:
10.1021 / acs.langmuir.9b02853

这项研究的资金由圣路易斯华盛顿大学和中国奖学金委员会(Qi)提供。


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