浸润度对低温下气膜产生的影响＊

白 岗，答 元

（西安工业大学 理学院，西安710021）

一般情况下，液体在达到沸点后有两种沸腾模式．一种是核态沸腾，液体达到沸点后首先出现的是核态沸腾模式，固体表面产生气泡，气泡在浮力作用下上升将热量从液体中散发到外界，此模式下热传导率高，有利于固体表面的散热．另外一种是气膜沸腾（Leidenfrost模式），当固体表面温度高于Leidenfrost临界温度时，核态沸腾模式转变为Leidenfrost模式，气泡的生成速率大于脱离速率，充分合并后在脱离壁面前在固体表面连接成气膜，固液之间的热传导率低．传统研究主要是在增强热传导的方向，而气膜沸腾由于其热传导率低，容易引起管道或者器件的损坏一直是在沸腾过程中需要避免的，对此的研究主要是集中在如何升高Leidenfrost临界温度，扩大核态沸腾的温度范围．文中气膜沸腾在另一方面也是有正面作用的，气膜沸腾中气膜的存在能够降低流体流动时受到的阻力［1］，如果在低温下产生气膜，不但管道或者器件的损坏可以大大降低，还可以减少固液阻力．研究表明［2-3］，气膜的产生与固体表面的浸润性密切相关，浸润性通常用表面液滴的接触角来衡量，表面润湿是固体表面的重要特性之一，也是最常见的一类界面现象，润湿性通常用表面液滴的接触角来衡量，通常将接触角小于90°时的固体表面称亲水表面，大于90°称疏水表面，其中，当固体表面上液滴的表观接触角大于150°时，称超疏水性表面．超疏水性界面在工农业生产和人们的日常生活中都有着非常广阔的应用前景［4］，如输油管路减阻、微通道流动、水中行具减阻、自清洁表面材料等．文中应用分子动力学模拟（Molecular Dynamics，MD）的方法从微观角度模拟了在不同接触角的固体表面上气膜的产生过程，进一步分析了固液接触角对气膜产生的影响．

1 模拟方法

系统底部为Pt固体壁面，原子按Pt金属面心立方（Face Centered Cubic，FCC）晶格结构排列，其［0，0，1］面同 Ar液体接触．系统尺度为86．48×86．48×86．48Å3，共包括10 752个氩原子和5 632个壁面原子．采用等温等压系综（NPT），压强P＝1．0bar，周期性边界条件，晶格常数为5．405Å．原子间的势能作用均采用Lennard-Jones（LJ）作用势，即

式中：ε为能量参数；r为原子中心之间的距离．其中Pt的 参 数 为εPt-Pt＝ 8．35×10-20J，σPt-Pt＝3．4Å，Ar的参数为εAr-Ar＝1．65×10-21J，σAr-Ar＝3．4Å．根据Yong氏理论［5］，可以通过控制固体表面的化学组成使固体的表面自由能降低，提高固体表面的疏水性，获得较大的接触角．固液间势能参数为εPt-Ar＝cεAr-Ar，c为表征固液势能参数的系数，通过调整c的大小来改变固壁和氩原子间的势能作用，进一步改变固液之间的浸润度，c＝1时表示固体表面为亲水性，c＝0．4时表示固体表面为疏水性［6］．文中研究的是纯氩流体在固体表面的情况，此时固体表面并无气体存在，但是可以认为液滴和壁面间的势能作用较弱时，液滴不能充分地填充于纳米结构的间隙，间隙中存在类似气体的低密度相，为非均匀浸润模式［7］，固液接触表面符合接触角Cassie模型．我们根据Cassie模型接触角公式［8］

构建Pt固体模型，分别在Pt固体表面挖去1个，9个和16个圆锥形凹坑，c＝1时Pt固体表面挖去一个凹坑的系统为亲水性系统，命名为HL系统．c＝0．4时Pt固体表面挖去1个，9个和16个圆锥形凹坑的系统，按照Cassie模型理论计算得到接触角分别为122°，130°，152°，其中，152°接触角的界面为超疏水性界面，三个系统分别命名为L-1，L-9，L-16系统．如图1所示是接触角为152°的SHB固体模型．

图1 接触角为152°的固体模型Fig．1 Solid model with the contact angle of 152°

2 结果与讨论

2．1 亲水性和疏水性界面的模拟

1）亲水性界面模拟

如图2所示是在HL系统中，取c＝1，即为亲水性界面，120K温度下Ar流体相变的过程的模拟．由图2可以看出亲水性表面由于分子作用力较强，所以在表面附近吸附Ar原子，形成一层密度类似于固体的薄层，在34 300步时形成若干空穴如图2（a）所示，进一步的模拟过程中小空穴逐渐合并，并在43 000步时明显形成气泡核如图2（b）所示．

图2 亲水性界面的模拟Fig．2 Simulation of hydrophilic surface

2）疏水性界面模拟

如图3所示在L-1系统中120K温度下Ar流体相变的过程模拟，取c＝0．4的疏水性界面．由图3可以看出疏水性界面表面由于固液之间作用力小容易形成空穴，所以Ar原子很快就离开固体表面形成空穴如图3（a）所示，并且产生的空穴也会很快连接在一起形成一个“空穴带”，“空穴带”逐渐扩大并在41 100步时形成气膜如图3（b）所示．

2．2 接触角对疏水性界面（c＝0．4）气膜形成影响

进一步在90K温度，1bar的压强条件下模拟了疏水性固体界面上不同接触角对气膜的影响．计算得到L-1系统的接触角为122°，L-9系统的接触角为130°，L-16系统的接触角为152°，其中L-16属于超疏水性界面．

图3 疏水性界面模拟Fig．3 Simulation of hydrophobic surface

超疏水性界面模拟过程如图4所示，图4（a）中圆锥坑内分子分布稀疏，可看做是已经存在的气相，符合Cassie接触角模式，图4（b）中凹坑内出现空穴，并且随时间凹坑内的空穴进一步增大图4（c）所示，凹坑上方产生的空穴联合起来最终形成大的“空穴带”形成气膜如图4（d）所示．

图4 L-16系统气膜形成过程模拟Fig．4 Simulation of the vapor-film formation of the L-16system

如图5所示为L-16系统90K温度下气膜形成过程的热通量模拟结果．第一个波谷是出现空穴时如图4（b）所示，此时由于凹坑内壁首先对坑内原子加热，原子间距离增大，使得凹坑内原子与凹坑外原子之间距离比较大，传热减小；当凹坑内原子几乎全部运动到凹坑上方时与凹坑外部原子碰撞增加，热通量增加，此时对应图5中的波峰，模拟图如图4（c）所示；每个凹坑上方的空穴连起来形成一个大的空穴带，界面处流体原子与固体原子之间距离增大，固体壁面对原子的传热急剧减小到最小值，如图4（d）所示；随着原子运动到空穴带中，形成气膜，传热又开始增加．如图5所示热通量最小值时是“临界空穴带”，是气膜形成的开始．

如图6所示是L-1，L-9，L-16各系统模拟得到的热通量曲线图的比较．L-9，L-16两个系统均出现了热通量的最小值，这说明出现了气膜，这是由他们的疏水性表面所决定的．由图还可以看出，L-16的超疏水性界面中热通量最小值最先达到，这是因为固体表面越疏水，固体分子和液体分子间作用力越小，液体分子间距离越大，密度越小，越容易形成气膜．而L-1系统由于其亲水性的壁面属性，固体分子和液体分子间作用力大，在固体表面形成一层“类固体层”，使得液体随着温度升高会出现成核沸腾，不会出现气膜，所以并没有出现热通量的最小值．

图5 L-16系统中热通量的曲线图Fig．5 Curve of the heat flux of the L-16system

图6 L-1，L-9，L-16各系统模拟得到的热通量曲线图Fig．6 Curves of the heat flux of the L-1，L-9，L-16systems

3 结 论

1）固液界面的浸润度对气膜形成的影响非常大．亲水性界面由于固体原子对液体原子的强作用力使得固体表面形成一层类似于固体的薄层，更容易产生气泡核．而疏水性界面固液原子间的弱相互作用使得固体表面能够形成一个“空穴带”，进一步形成气膜．

2）疏水性界面的系统中，浸润度的不同对气膜形成的难易程度影响也是非常大的．其中超疏水性界面明显要容易形成气膜．在较低温度下，一般的疏水性界面（接触角为122°）很难形成气膜的情况下，超疏水性界面（接触角为152°）依然能够在短时间内形成气膜．

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