【摘 要】
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固着液滴的蒸发是一类重要的基础现象,以液滴蒸发为背景的工业应用广泛存在于微流控、微电子制造及冷却、生化分析等高新技术领域,对液滴蒸发特性与流动规律的全面了解有助于液滴蒸发相关应用的优化设计以及进一步挖掘液滴蒸发在以上领域的潜在应用价值。基于此背景,本文结合液滴蒸发过程中的多种热质传递机制构建了描述液滴蒸发的三维数值计算模型,对加热疏水（接触角:110°）及超疏水（接触角:160°）表面的微升体积水
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固着液滴的蒸发是一类重要的基础现象,以液滴蒸发为背景的工业应用广泛存在于微流控、微电子制造及冷却、生化分析等高新技术领域,对液滴蒸发特性与流动规律的全面了解有助于液滴蒸发相关应用的优化设计以及进一步挖掘液滴蒸发在以上领域的潜在应用价值。基于此背景,本文结合液滴蒸发过程中的多种热质传递机制构建了描述液滴蒸发的三维数值计算模型,对加热疏水（接触角:110°）及超疏水（接触角:160°）表面的微升体积水滴的传热传质特性以及内部流动结构展开了数值研究。本文的主要结论如下:（1）加热疏水基底上的液滴具有轴对称蒸发特性,液滴内部观察到轴对称的涡状环流;加热超疏水基底上的液滴不再具有轴对称蒸发特性,非对称的三维单涡环流占据了整个液滴内部,单涡流动的速度比轴对称流动的速度高了一个数量级。两种不同流动模式中涡中心位置的无量纲高度均与加热温度和液滴体积无关,无量纲高度分别为0.420（轴对称流动）和0.515（单涡流动）。两种基底上液滴内部速度的大小都和Ra数的平方成正比,但是两者的速度v-Ra数曲线的凸性是恰好相反的。（2）两种基底上蒸发的液滴气液界面附近均观察到明显的蒸发冷却现象,且加热超疏水基底上液滴表面的最大温降要大得多。受到内部流动结构对温度分布的影响,疏水基底上液滴表面最低温度出现在液滴顶部而超疏水基底上液滴表面最低温度出现在流动方向的下游一侧。随着基底加热温度的上升,两种基底上液滴表面的蒸发冷却强度均随之增加。（3）两种基底上相对湿度的改变对液滴蒸发特性的影响规律是一致的,液滴瞬时蒸发速率和表面最大温降均随相对湿度的增加而线性减少。（4）接触角较大时,加热基底上液滴内部的轴对称流动是不稳定的,系统中的任何扰动都会被放大并驱使不稳定的轴对称流动转变为非对称的单涡流动。液滴内部流动分叉现象表明,随着Bi数的变化,当Ra数超过临界值Ra1时,轴对称流动转变为非对称流动;当Ra数低于临界值Ra2时,非对称流动可退化为轴对称流动,且Ra1大于Ra2。
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