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固体表面上液滴的聚合是滴状凝结过程中的重要现象,对液滴的生长、脱离和扫除有重要的影响。已有的研究工作表明:液滴的聚合是加快梯度能表面材料表面上液滴运动和滴状凝结中液滴快速运动的主要原因。同时,它亦是化工、环保、能源动力等领域传输过程中的常见现象,对整个传输过程及特性起着重要的作用。
本文利用高速摄影仪对大气环境中等温条件下均质表面上液滴的聚合运动进行可视化实验研究,获得了液滴聚合过程中接触线、液桥半径和接触角随时间变化的规律,首次分析了界面性质、液滴物性、表面倾角以及液滴大小等因素对液滴聚合的影响,并将等径与非等径液滴的聚合进行了比较,系统地研究了液滴的聚合特性及液滴聚合对液滴运动的影响,探讨液滴聚合的机理,具有重要的学术意义和实际应用价值。本文主要研究成果如下:
1. 本文首次采取从实验表面下方注射液滴的方式,使液滴同步缓慢长大而相互聚合。
2. 实验中发现:两个液滴聚合后呈衰减性振荡。这是由两液滴凹凸液面压差造成的振荡,导致液滴内部的粘性耗散,其能量来自于液滴聚合后,气液界面面积的减少而释放出的表面能。
3. 分别对液滴在均质有机玻璃和紫铜表面上的聚合过程进行拍摄,实验结果表明:紫铜表面上液滴聚合,液桥半径的振幅较大,接触角振荡激烈,振荡时间较长。
4. 相同界面上液滴聚合,液滴的粘性的越大,液桥半径和接触角振荡的频率和振幅越小,振荡时间越短,两侧接触线收缩的幅度越小。
5. 水平表面上液滴聚合,液滴的直径越小,液桥半径振荡频率越大,振幅越小,振荡时间越短。聚合振荡稳定后的接触角小于聚合前的静止接触角,其差值与固体界面状况和气、固、液物性相关。
6. 水平表面上,等径液滴聚合,液滴两侧的接触线和接触角对称变化;非等径液滴聚合,小液滴侧接触线收缩幅度较大,振荡较激烈;与等径液滴聚合相比较,非等径液滴聚合中液桥半径的振荡频率较大,振幅较小,振荡时间较长。
7. 水平表面上液滴聚合中释放出的表面能全部用于液滴振荡的粘性耗散;倾斜表面上液滴聚合释放出的表面能除了一部分用于聚合中的粘性耗散外,还有一部分用来克服气、固、液三相粘性阻力。
8. 实验结果表明:倾斜表面上,液滴聚合可以加快液滴的运动,使液滴在小于表面下滑临界半径时沿表面下滑。表面的倾角越大,液滴释放出的表面能越大,下滑的临界半径越小。
9. 对液滴聚合中液桥半径随时间的变化进行拟合,建立实验关联式,结果表明:液滴聚合初始阶段,液桥半径随时间的的变化满足 形式,符合 定律。A和b的值与液滴直径的大小、液滴的粘性、表面性质和表面的倾角等因素有关,一般来说0<a<1,0<b<0.5。