一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓的计算方法技术

一种给定纳米柱表面PW‑Cassie液滴轮廓计算方法，包括：(1)建立给定纳米柱表面PW‑Cassie孤立液滴的模型：(2)基于PW‑Cassie液滴模型计算液滴几何参数之间的关系：(3)计算并绘制PW‑Cassie液滴轮廓：(4)估算冷凝实验图像中PW‑Cassie液滴的接触角和体积。本发明专利技术的优点是：提出了一种给定纳米柱表面PW‑Cassie液滴轮廓计算方法，根据给定的表面参数，即可获得相应体积下PW‑Cassie液滴的轮廓，并且可以根据实验拍摄的液滴图像估算液滴接触角和体积这些参数，有助于定量研究超疏水表面上的冷凝传热机理。

【技术实现步骤摘要】
一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓的计算方法
本专利技术属于表面浸润性以及冷凝传热领域，涉及一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓计算方法，具体涉及一种基于PW-Cassie液滴理论模型的轮廓计算方法，以及对PW-Cassie液滴图像进行接触角和体积估算。
技术介绍
纳米柱修饰的表面可以达到超疏水性，并在其表面发生滴状冷凝，比传统的铜管表面膜状冷凝的传热系数更高。以纳米柱为基础的超疏水冷凝表面被广泛用于研究滴状冷凝，寻求能量高效利用的方法。并且现代高性能的处理器面临产热密度高的问题，而滴状冷凝表面被用于研发微尺度下高性能散热器的基础。部分润湿(PW-Cassie)液滴在纳米柱具有一定高度、直径间距比较大的表面上易形成，而纳米柱的高度过低或直径间距比小时，则会形成完全润湿的Wenzel液滴。PW-Cassie液滴的初始生长速率比Cassie液滴的初始生长速率高4～6倍，并且液滴部分润湿纳米柱间隙与冷凝表面直接接触，可以将整个冷凝表面上的热通量提高56％；同时，PW-Cassie液滴也更容易在纳米柱超疏水表面发生合并弹跳，从而增加表面的冷凝效率，实现能量的高效转移。目前，大部分研究者仍然把PW-Cassie液滴轮廓描述为球缺形，并在此基础上进行生长模型和传热分析，这在一定程度上是存在误差的，尤其是液滴尺度较小，形状上很小的近似都有可能被放大。因此需要一种更精确的计算方法来确定PW-Cassie液滴轮廓。
技术实现思路
本专利技术要克服现有技术的上述缺点，提出了一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓计算方法。本专利技术所述的一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓计算方法，包括以下步骤：(1)建立给定纳米柱表面PW-Cassie孤立液滴的模型：根据冷凝实验的图像可知，PW-Cassie液滴的形态并且标准的球缺形，而更像是气球形。据此建立PW-Cassie孤立液滴的理论模型，由上半部分的球缺和下半部分的倒圆台组合而成。由于液滴形状为轴对称图形，为方便计算，考虑液滴轮廓的一半，并且将其绕原点旋转90°，如图1所示。u轴为液滴高度方向的对称轴，v轴为液滴基底方向，rb是接触圆半径，l是倒圆台的母线长，R是球缺部分的半径，h1、h2分别是倒圆台和球缺的高，h是液滴的总高。对于给定的纳米柱表面，如图2所示，纳米柱边长x，间距y，高度z，可以根据young’s方程确定给定表面上的平衡接触角式中，γsl、γsv、γlv为别是固-液、固-气、液-气表面张力，r是纳米柱表面的粗糙度，可以用纳米柱总表面积和投影面积的比值计算(2)基于PW-Cassie液滴模型计算液滴几何参数之间的关系：对于PW-Cassie液滴模型，以接触圆半径rb、接触角θ、母线l为三个基础参数，液滴的其他参数由此推导。倒圆台的高球缺的半径球缺的高倒圆台部分的体积球缺部分的体积则PW-Cassie液滴的总体积(3)计算并绘制PW-Cassie液滴轮廓：根据PW-Cassie液滴的理论模型和推导的参数，给出液滴的函数解析式根据公式(8)，我们给定液滴体积、接触圆半径、接触角计算出母线长，代入公式(9)就可以根据函数表达式绘制PW-Cassie液滴的轮廓。(4)估算冷凝实验图像中PW-Cassie液滴的接触角和体积。冷凝实验过程中，可以用环境扫描电子显微镜(ESEM)或者CCD高速相机拍摄液滴图像，但是冷凝液滴的接触角和体积无法直接并且较难获得。基于液滴轮廓模型和计算方法，可以从图像上较容易测得的液滴高度h、宽度b、接触圆直径d这三个参数，进一步估算液滴的接触角和体积。在图1的基础上，以高度h、宽度b、接触圆直径d为基础参数，其他参数在此基础上推导。接触圆半径球缺的半径球缺的高球缺部分的体积类似地，倒圆台的高倒圆台部分体积同时，液滴的高度也可以写成则PW-Cassie液滴的总体积因此，根据公式(16)可以求解计算出PW-Cassie液滴接触角θ，在获得接触角的基础上根据公式(17)估算PW-Cassie液滴的体积。本专利技术的优点是：提出了一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓计算方法，根据给定的表面参数，即可获得相应体积下PW-Cassie液滴的轮廓，并且可以根据实验拍摄的液滴图像估算液滴接触角和体积这些参数，有助于定量研究超疏水表面上的冷凝传热机理。附图说明图1是本专利技术的PW-Cassie孤立液滴半轮廓的理论模型，由球缺和倒圆台组成；图2是本专利技术的给定的纳米柱表面，纳米柱边长x，间距y，高度z；图3是根据公式(8)和(9)得到的PW-Cassie液滴轮廓，图3(a)是接触圆半径rb＝5μm，接触角θ＝130°为时，PW-Cassie液滴体积V＝5×10-3nL的形态；图3(b)接触圆半径rb＝5μm，接触角θ＝130°时，不同体积下的PW-Cassie液滴形态；图3(c)接触圆半径rb＝5μm，接触角θ＝120°时，不同体积下的PW-Cassie液滴形态；具体实施方式下面结合附图并通过具体实施例对本专利技术作进一步说明，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。本专利技术所述的一种超疏水表面PW-Cassie冷凝液滴形状的计算方法，包括以下步骤：(1)建立给定纳米柱表面PW-Cassie孤立液滴的模型：根据冷凝实验的图像可知，PW-Cassie液滴的形态并且标准的球缺形，而更像是气球形。据此建立PW-Cassie孤立液滴的理论模型，由上半部分的球缺和下半部分的倒圆台组合而成。由于液滴形状为轴对称图形，为方便计算，考虑液滴轮廓的一半，并且将其绕原点旋转90°，如图1所示。u轴为液滴高度方向的对称轴，v轴为液滴基底方向，rb是接触圆半径，l是倒圆台的母线长，R是球缺部分的半径，h1、h2分别是倒圆台和球缺的高，h是液滴的总高。对于给定的纳米柱表面，如图2所示，纳米柱边长x，间距y，高度z，可以根据young’s方程确定给定表面上的平衡接触角式中，γsl、γsv、γlv为别是固-液、固-气、液-气表面张力，r是纳米柱表面的粗糙度，可以用纳米柱总表面积和投影面积的比值计算(2)基于PW-Cassie液滴模型计算液滴几何参数之间的关系：对于PW-Cassie液滴模型，以接触圆半径rb、接触角θ、母线l为三个基础参数，液滴的其他参数由此推导。倒圆台的高球缺的半径球缺的高倒圆台部分的体积球缺部分的体积则PW-Cassie液滴的总体积(3)计算并绘制PW-Cassie液滴轮廓：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓计算方法，包括以下步骤：/n(1)建立给定纳米柱表面PW-Cassie孤立液滴的模型：/n根据冷凝实验的图像可知，PW-Cassie液滴的形态并且标准的球缺形，而更像是气球形；据此建立PW-Cassie孤立液滴的理论模型，由上半部分的球缺和下半部分的倒圆台组合而成；由于液滴形状为轴对称图形，为方便计算，考虑液滴轮廓的一半，并且将其绕原点旋转90°；u轴为液滴高度方向的对称轴，v轴为液滴基底方向，r

【技术特征摘要】
1.一种给定纳米柱表面PW-Cassie液滴轮廓计算方法，包括以下步骤：
(1)建立给定纳米柱表面PW-Cassie孤立液滴的模型：
根据冷凝实验的图像可知，PW-Cassie液滴的形态并且标准的球缺形，而更像是气球形；据此建立PW-Cassie孤立液滴的理论模型，由上半部分的球缺和下半部分的倒圆台组合而成；由于液滴形状为轴对称图形，为方便计算，考虑液滴轮廓的一半，并且将其绕原点旋转90°；u轴为液滴高度方向的对称轴，v轴为液滴基底方向，rb是接触圆半径，l是倒圆台的母线长，R是球缺部分的半径，h1、h2分别是倒圆台和球缺的高，h是液滴的总高；对于给定的纳米柱表面，如图2所示，纳米柱边长x，间距y，高度z，可以根据young’s方程确定给定表面上的平衡接触角



式中，γsl、γsv、γlv为别是固-液、固-气、液-气表面张力，r是纳米柱表面的粗糙度，可以用纳米柱总表面积和投影面积的比值计算



(2)基于PW-Cassie液滴模型计算液滴几何参数之间的关系：
对于PW-Cassie液滴模型，以接触圆半径rb、接触角θ、母线l为三个基础参数，液滴的其他参数由此推导；
倒圆台的高



球缺的半径



球缺的高



倒圆台部分的体积



球缺部分的体积



则P...

【专利技术属性】
技术研发人员：董健，胡光辉，赵逸平，胡建良，潘新科，张王明，郭有海，卞银波，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33