摘要
换热器被广泛应用在工业生产当中，提高换热器的综合换热性能可以有效地提高能源利用率。超疏水表面是实现流动减阻的一个途径，但是在换热上的削弱作用导致其不能应用于换热器。肋/台阶结构经常被应用在换热表面来增强换热，所以将具有肋/台阶结构的表面改性为超疏水表面，并探究其表面良性系数的改善程度具有重要的研究意义。本文意在通过合理设计超疏水肋/台阶表面来降低表面的流动阻力，并且通过结构设计使超疏水表面上的气膜向流场中凸起，增大流场的扰动，进而增强流场的换热，从减阻和强化换热两方面提高壁面的良性系数。主要内容如下： （1）制备超疏水表面。本文采用了激光烧蚀和涂层喷涂的方法在铜表面上制备了微纳结构超疏水表面，其接触角为153°、接触角滞后为5°。对超疏水表面做了耐磨性测试、胶带剥离测试、落水法测试和紫外照射测试，发现通过测试后其接触角稳定在130°以上，具有较稳定的疏水性能，可以满足实验需求。 （2）流场中超疏水肋/台阶表面气泡演化机制和规律的研究。通过强迫对流可视化实验台，对比分析了后台阶流动中不同润湿性表面上的气泡附着情况；分析了后台阶流动中超疏水表面上气泡的大小、位置、形状、振荡幅度、脱离和分裂等随着雷诺数及时间的变化规律；分析了单肋流场中超疏水表面的液-气界面凸起情况和气泡演化规律。通过数值模拟，排除了超疏水肋/台阶表面凸起的气泡是空化的可能，并详细探究了超疏水表面上气泡的初生、生长、迁移和合并等整个生长过程，解释了气泡凸起和演化的机制。 （3）流场中超疏水平表面和超疏水后台阶表面的减阻和强化换热性能研究。通过实验和数值模拟相结合的方法探究了不同雷诺数下超疏水平表面和超疏水后台阶表面的换热效果、减阻效果以及良性系数的提升效果。研究表明，在对平表面进行超疏水改性后，在雷诺数大于2000范围内均可以提升表面的良性系数，随着雷诺数的增大，良性系数的提升率可以稳定在110%以上；对后台阶表面进行超疏水改性，雷诺数小于10000时，其表面良性系数均可以得到小幅度提升。 对超疏水肋/台阶表面气泡演化和液-气界面稳定性的探究，近一步揭示了超疏水表面液-气界面的失稳机制，更加深入地研究了液-气界面形态演化与流体流动的动态耦合过程，从而为表面的减阻和强化换热研究提供了理论支持。同时，对超疏水台阶表面的减阻和强化换热综合性能的研究，为不同工况下强化换热表面的设计提供了新的方向和思路。
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