中文摘要：

目前利用超疏水表面实现滴状冷凝的研究中，液滴是在重力作用下自然脱落，由于蒸汽冷凝形成的Wenzel状态液滴"粘性"很强，造成冷凝液滴的脱落尺寸往往较大，导致其冷凝传热性能，尤其在低负荷工况时并没有得到大幅提高。本申请试图对超疏水冷凝表面施加带宽微振动，诱导液滴从Wenzel状态转变为Cassie状态，进而快速脱落来考查这一问题，并尝试通过控制液滴脱落尺寸和频率实现冷凝传热系数的可控。为此，申请者从表面物理化学理论出发，将液滴动力学和振动力学结合起来，研究超疏水表面液滴动态浸润特性。运用机理分析和实验研究相结合的方法，探讨液滴初始浸润状态和表面微观结构对Wenzel-Cassie状态转变特性的影响机理等问题。这一课题的难点和关键问题在于探求振动特征参数、液滴物性、表面微观结构以及液滴脱落尺寸之间的内在联系。项目的成功实施，将对石化、动力、航天等领域优化利用冷凝设备、节约能源产生积极影响。

结论摘要：

目前，夏季和冬季的气温异常越加严重，在这种高温和严寒的极端天气，空调开启造成用电负荷骤增导致了大规模的“电荒”问题。如何提高空调性能解决其高耗问题显得日益重要。近些年来，将纳米超疏水材料应用到冷凝器的研制中，实现空调蒸发器内部盘管表面由膜状凝结转变微滴状凝结是目前采用的重要方法。首先利用制备了不同微结构疏水表面，分析了表面微结构、温度以及液滴尺寸对液滴浸润特征的影响，发现存在一个临界微方柱间距bcr，此时微结构疏水表面的接触角取得最大值，且存在一个临界微方柱高度hcr，使液滴能维持稳定的Cassie状态。其次，采用力学分析法，研究了Cassie-Wenzel浸润转变，通过引入钉扎力，得到了1D模式的力学模型。同时，2D模式浸润转变的研究发现，微结构表面液滴的失稳区域是以“阶梯型”方式向着两个相互垂直的方向进行扩散，并且在同一条件下，2D模式的临界压力总是大于1D模式。第三，研究了低温微结构疏水表面冷凝液滴生长过程，发现液滴生长分为三个阶段，即成核独立生长期、合并生长期、大液滴生长期。发现在液滴合并和大液滴生长阶段，其浸润状态向Wenzel状态转变，并由此分析了冷凝条件下微结构疏水表面疏水性能失效的机理。第四，研究了微结构表面液滴的动态特性。发现液滴是否发生浸润转变和微结构形貌以及振动特征有关。只有当施加的振动能量超过某一阈值时，微方柱超疏水表面 Wenzel 状态液滴才可以发生向 Cassie 状态的完全转变，且存在发生 Wenzel-Cassie 浸润转变的阈值范围。第五，对微结构表面振动液滴的动态特征进行了研究。液滴在振动过程中经历三个过程 “压缩”过程，“还原”过程，“脱离”过程。在“压缩”过程液滴由Cassie状态向Wenzel状态转变；在“还原”过程，液滴由Wenzel状态向Cassie状态转变。最后，研究了微结构表面液滴Wenzel-Cassie浸润状态转变机理。对于不同体积的液滴，随着振动幅值的增加，液滴按一定规律脱离疏水表面；当输入频率接近某一体积液滴的固有频率时，此液滴与表面发生共振，液滴发生浸润状态转变所需能量最小。运用表面物理化学和液滴动力学，获得了微结构疏水表面振动液滴Wenzel-Cassie浸润状态转变理论模型。