復(fù)雜表面固著液滴多物理場耦合蒸發(fā)過程的理論探索與解析一、引言1.1研究背景與意義液滴蒸發(fā)是一種普遍存在于自然界和眾多工業(yè)領(lǐng)域的物理現(xiàn)象，從清晨樹葉上逐漸消失的露珠，到工業(yè)生產(chǎn)中的噴霧干燥、燃燒過程、電子芯片冷卻等環(huán)節(jié)，都涉及液滴蒸發(fā)。在石油化工領(lǐng)域，原油蒸餾過程中液滴的蒸發(fā)行為直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，精準(zhǔn)控制液滴蒸發(fā)能提高餾分分離精度；在動力工程領(lǐng)域，內(nèi)燃機(jī)依靠燃料液滴的高效蒸發(fā)與燃燒實(shí)現(xiàn)動力輸出，快速蒸發(fā)可促進(jìn)燃料與空氣充分混合，提升發(fā)動機(jī)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性；在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域，隨著芯片集成度提高，液滴蒸發(fā)的高效散熱特性可及時帶走芯片熱量，保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)液滴處于復(fù)雜表面時，其蒸發(fā)過程變得更為復(fù)雜。復(fù)雜表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)會顯著影響液滴與表面的相互作用，進(jìn)而改變液滴的蒸發(fā)行為。超疏水表面由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)和低表面能，能使液滴在表面呈現(xiàn)出較小的接觸角和較高的滾動角，導(dǎo)致液滴蒸發(fā)時的傳熱傳質(zhì)過程與常規(guī)表面不同。在具有微納結(jié)構(gòu)的表面上，液滴可能會陷入結(jié)構(gòu)中，改變其蒸發(fā)的邊界條件，使得蒸發(fā)速率和蒸發(fā)模式發(fā)生變化。在實(shí)際應(yīng)用中，液滴蒸發(fā)往往不是孤立的物理過程，而是與多種物理場相互耦合。在電子芯片散熱中，液滴蒸發(fā)不僅涉及熱量傳遞，還與電場、磁場等物理場相互作用。芯片工作時產(chǎn)生的熱量使液滴蒸發(fā)，而蒸發(fā)過程中產(chǎn)生的蒸汽流動可能會影響芯片周圍的電場分布，同時，芯片內(nèi)部的電子運(yùn)動產(chǎn)生的磁場也可能對液滴蒸發(fā)產(chǎn)生影響。在燃燒過程中，液滴蒸發(fā)與熱場、流場以及化學(xué)反應(yīng)過程緊密耦合。高溫環(huán)境促使液滴蒸發(fā)，蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽與周圍氣體形成復(fù)雜的流動，同時參與化學(xué)反應(yīng)，釋放能量，進(jìn)一步影響熱場和流場分布。多物理場耦合下復(fù)雜表面固著液滴的蒸發(fā)研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價值。從科學(xué)研究角度來看，深入探究多物理場耦合下復(fù)雜表面液滴蒸發(fā)的機(jī)制，有助于揭示微觀尺度下傳熱傳質(zhì)的基本規(guī)律，豐富和完善多相流理論，為相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究提供理論支持。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，對這一過程的深入理解能夠?yàn)楸姸喙I(yè)過程提供優(yōu)化依據(jù)。在材料制備中，通過精確控制液滴蒸發(fā)過程，可以實(shí)現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控，制備出具有特殊功能的材料；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，利用液滴蒸發(fā)過程的可控性，可以實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)輸送和釋放，提高治療效果；在新能源領(lǐng)域，如太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)中，通過優(yōu)化多物理場耦合下液滴蒸發(fā)過程，能夠提高能量轉(zhuǎn)換效率，降低成本，為解決全球淡水資源短缺問題提供新的途徑。1.2研究現(xiàn)狀在復(fù)雜表面固著液滴蒸發(fā)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一定成果。在表面結(jié)構(gòu)對液滴蒸發(fā)影響的研究中，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊制備了具有不同微納結(jié)構(gòu)的表面，通過實(shí)驗(yàn)觀察到液滴在微柱陣列結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)速率明顯低于在光滑表面的蒸發(fā)速率，這是由于微柱結(jié)構(gòu)增加了液滴與表面的接觸面積，改變了液滴的傳熱傳質(zhì)路徑。中國科學(xué)院的科研人員利用分子動力學(xué)模擬，研究了納米尺度下粗糙表面對液滴蒸發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度會導(dǎo)致液滴蒸發(fā)過程中出現(xiàn)非均勻蒸發(fā)，影響液滴的蒸發(fā)壽命和蒸發(fā)模式。在化學(xué)性質(zhì)對液滴蒸發(fā)的影響研究中，美國斯坦福大學(xué)的科研團(tuán)隊通過在表面修飾不同化學(xué)基團(tuán)，發(fā)現(xiàn)親水性基團(tuán)能使液滴在表面的接觸角減小，加快液滴的蒸發(fā)速率；而疏水性基團(tuán)則使接觸角增大，減緩蒸發(fā)速率。英國劍橋大學(xué)的研究人員通過實(shí)驗(yàn)和理論分析，揭示了表面化學(xué)性質(zhì)與液滴蒸發(fā)過程中Marangoni效應(yīng)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)表面化學(xué)性質(zhì)的不均勻分布會引發(fā)Marangoni對流，影響液滴內(nèi)部的溫度和濃度分布，進(jìn)而改變蒸發(fā)速率。在多物理場耦合下液滴蒸發(fā)的研究中，西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊建立了熱-流-質(zhì)多物理場耦合的液滴蒸發(fā)模型，考慮了熱傳導(dǎo)、對流以及物質(zhì)擴(kuò)散等因素，通過數(shù)值模擬分析了不同物理場參數(shù)對液滴蒸發(fā)速率和溫度分布的影響。上海交通大學(xué)的科研人員開展了電場作用下液滴蒸發(fā)的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)電場能夠改變液滴的形狀和蒸發(fā)路徑，在強(qiáng)電場作用下，液滴會發(fā)生變形，蒸發(fā)速率明顯加快。盡管目前在復(fù)雜表面固著液滴多物理場耦合蒸發(fā)方面取得了一定進(jìn)展，但仍存在諸多不足。在理論模型方面，現(xiàn)有的模型大多對實(shí)際情況進(jìn)行了簡化，難以全面準(zhǔn)確地描述多物理場耦合下復(fù)雜表面液滴蒸發(fā)的復(fù)雜過程。例如，很多模型沒有充分考慮表面微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及物理場之間的強(qiáng)耦合作用，導(dǎo)致模型的預(yù)測精度有限。在實(shí)驗(yàn)研究方面，精確測量復(fù)雜表面上液滴蒸發(fā)過程中的多物理場參數(shù)仍然面臨挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)技術(shù)在空間分辨率和時間分辨率上還難以滿足研究需求，這限制了對蒸發(fā)機(jī)制的深入理解。在應(yīng)用拓展方面，雖然該研究在一些領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用價值，但將研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用的案例還相對較少，缺乏系統(tǒng)性的應(yīng)用研究和工程化設(shè)計，難以充分發(fā)揮其在工業(yè)生產(chǎn)中的作用。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入剖析多物理場耦合下復(fù)雜表面固著液滴的蒸發(fā)過程，建立全面準(zhǔn)確的理論模型，揭示其內(nèi)在物理機(jī)制，為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅實(shí)的理論支撐。具體研究目標(biāo)如下：建立理論模型：綜合考慮復(fù)雜表面的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)以及熱場、流場、電場、磁場等多物理場的耦合作用，構(gòu)建能夠精確描述固著液滴蒸發(fā)過程的數(shù)學(xué)物理模型。該模型不僅要能夠準(zhǔn)確預(yù)測液滴蒸發(fā)速率、溫度分布、濃度分布等關(guān)鍵參數(shù)，還要能夠反映各物理因素之間的相互作用關(guān)系。揭示耦合機(jī)制：通過理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，深入探究多物理場與復(fù)雜表面之間的耦合機(jī)制，明確各物理場對液滴蒸發(fā)過程的影響規(guī)律。揭示表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)如何影響液滴與表面的相互作用，以及這種相互作用如何在多物理場耦合下影響液滴的蒸發(fā)行為。探索影響因素：系統(tǒng)研究液滴性質(zhì)（如表面張力、黏度、揮發(fā)性等）、環(huán)境條件（如溫度、濕度、壓力等）以及物理場參數(shù)（如電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、流速等）對液滴蒸發(fā)過程的影響，確定各因素的影響權(quán)重和作用范圍，為實(shí)際應(yīng)用中調(diào)控液滴蒸發(fā)提供理論依據(jù)。拓展應(yīng)用研究：將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，如材料制備、生物醫(yī)藥、新能源等，通過優(yōu)化多物理場耦合下復(fù)雜表面液滴蒸發(fā)過程，解決實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵問題，提高相關(guān)工藝的效率和性能，推動該研究成果的工程化應(yīng)用。圍繞上述研究目標(biāo)，本研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：復(fù)雜表面特性分析：對具有不同微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜表面進(jìn)行表征，研究表面微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)（如粗糙度、孔隙率、微納結(jié)構(gòu)尺寸等）和化學(xué)性質(zhì)（如表面能、化學(xué)基團(tuán)種類等）的測量與分析方法。通過實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的手段，深入探討表面特性對液滴接觸角、潤濕性以及附著力的影響機(jī)制，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。多物理場耦合模型建立：基于傳熱傳質(zhì)基本原理、流體力學(xué)理論以及電磁學(xué)理論，建立多物理場耦合下復(fù)雜表面固著液滴蒸發(fā)的數(shù)學(xué)模型?？紤]熱傳導(dǎo)、對流、擴(kuò)散以及電場力、磁場力等因素對液滴蒸發(fā)過程的影響，推導(dǎo)相應(yīng)的控制方程，并確定合適的邊界條件和初始條件。運(yùn)用數(shù)值計算方法對模型進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)對液滴蒸發(fā)過程中溫度場、速度場、濃度場等物理量的動態(tài)模擬。實(shí)驗(yàn)研究與驗(yàn)證：設(shè)計并搭建多物理場耦合下復(fù)雜表面液滴蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺，利用高精度測量儀器（如高速攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光粒度儀等）對液滴蒸發(fā)過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，獲取液滴蒸發(fā)速率、溫度變化、形狀演變等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時深入分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象和規(guī)律，進(jìn)一步完善理論模型。耦合機(jī)制與影響因素分析：通過理論分析和數(shù)值模擬，深入研究多物理場之間的耦合機(jī)制，揭示熱場、流場、電場、磁場等物理場對液滴蒸發(fā)過程的協(xié)同作用規(guī)律。系統(tǒng)分析液滴性質(zhì)、環(huán)境條件以及物理場參數(shù)對液滴蒸發(fā)速率、蒸發(fā)模式和蒸發(fā)效率的影響，確定各因素的影響機(jī)制和關(guān)鍵作用點(diǎn)，為優(yōu)化液滴蒸發(fā)過程提供理論指導(dǎo)。應(yīng)用拓展研究：將研究成果應(yīng)用于材料制備領(lǐng)域，探索通過控制多物理場耦合下液滴蒸發(fā)過程來制備具有特殊結(jié)構(gòu)和性能材料的方法；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，研究液滴蒸發(fā)在藥物輸送和釋放中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)控釋；在新能源領(lǐng)域，如太陽能界面蒸發(fā)海水淡化技術(shù)中，優(yōu)化多物理場耦合下液滴蒸發(fā)過程，提高能量轉(zhuǎn)換效率和海水淡化速率。通過實(shí)際應(yīng)用案例分析，驗(yàn)證研究成果的實(shí)用性和有效性，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供理論支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。二、復(fù)雜表面固著液滴多物理場耦合蒸發(fā)的理論基礎(chǔ)2.1多物理場相關(guān)理論2.1.1傳熱理論傳熱理論是研究熱量傳遞規(guī)律的科學(xué)，在液滴蒸發(fā)過程中起著關(guān)鍵作用。傅里葉定律是傳熱學(xué)中的基本定律，由法國科學(xué)家傅立葉于1822年提出。該定律表明，在導(dǎo)熱過程中，單位時間內(nèi)通過給定截面的導(dǎo)熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：q=-k\frac{\partialT}{\partialn}其中，q為熱流密度，單位為W/m^2；k為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m\cdotK)，它反映了材料的導(dǎo)熱能力，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異很大，例如金屬的導(dǎo)熱系數(shù)通常較高，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低；\frac{\partialT}{\partialn}為溫度梯度，單位為K/m，表示溫度在空間上的變化率。在液滴蒸發(fā)過程中，熱傳導(dǎo)是熱量傳遞的重要方式之一。液滴內(nèi)部由于存在溫度差異，熱量會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳導(dǎo)。當(dāng)液滴與高溫表面接觸時，熱量通過熱傳導(dǎo)從表面?zhèn)鬟f到液滴內(nèi)部，使液滴溫度升高，進(jìn)而促進(jìn)液滴的蒸發(fā)。熱對流也不容忽視。液滴周圍的空氣或其他流體在溫度差的作用下會產(chǎn)生流動，形成對流。自然對流是由于流體密度隨溫度變化而引起的，當(dāng)液滴表面溫度高于周圍流體溫度時，周圍流體受熱膨脹，密度減小，從而向上流動，形成自然對流。而強(qiáng)制對流則是在外力作用下，如風(fēng)機(jī)吹動或管道內(nèi)流體流動等，使液滴周圍流體產(chǎn)生的對流。對流會加速熱量的傳遞，增強(qiáng)液滴與周圍環(huán)境之間的熱交換，從而影響液滴的蒸發(fā)速率。熱輻射是物體通過電磁波傳遞能量的過程。在液滴蒸發(fā)過程中，液滴和周圍環(huán)境都會向外輻射熱量。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的輻射熱流密度與物體的絕對溫度的四次方成正比，其表達(dá)式為：q=\varepsilon\sigmaT^4其中，\varepsilon為物體的發(fā)射率，取值范圍為0到1，它反映了物體發(fā)射輻射的能力，黑體的發(fā)射率為1，實(shí)際物體的發(fā)射率小于1；\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值約為5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)；T為物體的絕對溫度，單位為K。熱輻射在高溫環(huán)境下對液滴蒸發(fā)的影響更為顯著，當(dāng)液滴處于高溫環(huán)境中時，熱輻射傳遞的熱量在總傳熱量中所占比例增大，會加快液滴的蒸發(fā)速度。2.1.2傳質(zhì)理論傳質(zhì)理論主要研究物質(zhì)在濃度差、溫度差、壓力差等作用下的遷移現(xiàn)象，對于理解液滴蒸發(fā)過程中的物質(zhì)擴(kuò)散和界面?zhèn)髻|(zhì)至關(guān)重要。菲克定律是描述物質(zhì)擴(kuò)散現(xiàn)象的基本定律，由生理學(xué)家菲克于1855年發(fā)現(xiàn)。它包括菲克第一定律和菲克第二定律。菲克第一定律指出，在單位時間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量（稱為擴(kuò)散通量J）與該截面處的濃度梯度成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：J=-D\frac{\partialC}{\partialx}其中，D為擴(kuò)散系數(shù)，單位為m^2/s，它反映了物質(zhì)擴(kuò)散的難易程度，擴(kuò)散系數(shù)越大，物質(zhì)擴(kuò)散速度越快；\frac{\partialC}{\partialx}為濃度梯度，單位為mol/m^4，表示物質(zhì)濃度在空間上的變化率，“-”號表示擴(kuò)散方向?yàn)闈舛忍荻鹊姆捶较?，即物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散。在液滴蒸發(fā)過程中，液滴表面的液體分子由于熱運(yùn)動獲得足夠的能量，克服分子間的引力，從液滴表面擴(kuò)散到周圍環(huán)境中，形成蒸汽。根據(jù)菲克第一定律，液滴表面與周圍環(huán)境之間的蒸汽濃度差越大，蒸汽的擴(kuò)散通量就越大，液滴的蒸發(fā)速率也就越快。菲克第二定律是在第一定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，用于描述非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程。在非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程中，在距離x處，濃度隨時間的變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partialC}{\partialt}=D\frac{\partial^2C}{\partialx^2}其中，\frac{\partialC}{\partialt}為濃度隨時間的變化率，單位為mol/(m^3\cdots)；t為時間，單位為s。在液滴蒸發(fā)初期，液滴內(nèi)部和周圍環(huán)境中的蒸汽濃度隨時間不斷變化，屬于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散過程，此時菲克第二定律可以用于分析液滴蒸發(fā)過程中蒸汽濃度的動態(tài)變化。隨著液滴的蒸發(fā)，液滴內(nèi)部的蒸汽濃度逐漸降低，周圍環(huán)境中的蒸汽濃度逐漸升高，直到達(dá)到平衡狀態(tài)。在液滴蒸發(fā)過程中，除了物質(zhì)的擴(kuò)散，界面?zhèn)髻|(zhì)也是一個重要的過程。液滴表面存在著氣-液界面，在這個界面上，液體分子不斷地蒸發(fā)進(jìn)入氣相，氣相分子也可能重新凝結(jié)回到液相。界面?zhèn)髻|(zhì)過程受到多種因素的影響，如界面溫度、界面張力、蒸汽分壓等。當(dāng)界面溫度升高時，液體分子的熱運(yùn)動加劇，蒸發(fā)速率加快；界面張力的變化會影響液滴的形狀和表面曲率，進(jìn)而影響界面?zhèn)髻|(zhì)；蒸汽分壓的差異則決定了物質(zhì)在界面上的傳質(zhì)方向和速率。2.1.3流體力學(xué)理論流體力學(xué)理論是研究流體平衡和運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)，在液滴蒸發(fā)過程中，對于分析液滴內(nèi)部和周圍流體的流動以及界面變形等問題具有重要意義。納維-斯托克斯方程是流體力學(xué)中的基本方程，簡稱N-S方程，它是牛頓第二定律在不可壓縮粘性流動量守恒的運(yùn)動方程。粘性流體的運(yùn)動方程首先由納維在1827年提出，只考慮了不可壓縮流體的流動。泊松在1831年提出可壓縮流體的運(yùn)動方程。圣維南與斯托克斯在1845年獨(dú)立提出粘性系數(shù)為一常數(shù)的形式，都稱為Navier-Stokes方程。N-S方程的矢量形式為：\rho(\frac{\partial\vec{u}}{\partialt}+(\vec{u}\cdot\nabla)\vec{u})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{u}+\vec{f}在直角坐標(biāo)中的分量形式為：\begin{cases}\rho(\frac{\partialu}{\partialt}+u\frac{\partialu}{\partialx}+v\frac{\partialu}{\partialy}+w\frac{\partialu}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialx}+\mu(\frac{\partial^2u}{\partialx^2}+\frac{\partial^2u}{\partialy^2}+\frac{\partial^2u}{\partialz^2})+f_x\\\rho(\frac{\partialv}{\partialt}+u\frac{\partialv}{\partialx}+v\frac{\partialv}{\partialy}+w\frac{\partialv}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialy}+\mu(\frac{\partial^2v}{\partialx^2}+\frac{\partial^2v}{\partialy^2}+\frac{\partial^2v}{\partialz^2})+f_y\\\rho(\frac{\partialw}{\partialt}+u\frac{\partialw}{\partialx}+v\frac{\partialw}{\partialy}+w\frac{\partialw}{\partialz})=-\frac{\partialp}{\partialz}+\mu(\frac{\partial^2w}{\partialx^2}+\frac{\partial^2w}{\partialy^2}+\frac{\partial^2w}{\partialz^2})+f_z\end{cases}其中，\rho為液體密度，單位為kg/m^3；\vec{u}=(u,v,w)為流速矢量，單位為m/s，u、v、w分別為x、y、z方向的速度分量；p為動水壓強(qiáng)，單位為Pa；\mu為動力粘性系數(shù)，單位為Pa\cdots，它反映了流體的粘性大小，粘性越大，流體內(nèi)部的摩擦力越大；\nabla為矢量微分算符；\nabla^2為拉普拉斯算符；\vec{f}=(f_x,f_y,f_z)為單位質(zhì)量的質(zhì)量力，單位為N/kg，通常包括重力、慣性力等。在液滴蒸發(fā)過程中，液滴內(nèi)部和周圍流體的流動會對蒸發(fā)產(chǎn)生重要影響。液滴內(nèi)部由于溫度和濃度的不均勻，會產(chǎn)生自然對流，這種對流會加速液滴內(nèi)部的熱量和質(zhì)量傳遞。當(dāng)液滴周圍存在氣流時，氣流會對液滴產(chǎn)生拖曳力，使液滴發(fā)生變形，同時也會改變液滴周圍的速度場和壓力場，影響液滴的蒸發(fā)速率。液滴與復(fù)雜表面接觸時，表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)會影響液滴與表面之間的作用力，進(jìn)而影響液滴的形狀和流體的流動。在超疏水表面上，液滴與表面的接觸角較大，液滴呈現(xiàn)出近似球形，周圍流體的流動相對較為簡單；而在具有微納結(jié)構(gòu)的表面上，液滴可能會陷入結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致流體的流動變得復(fù)雜，影響液滴的蒸發(fā)行為。2.2固著液滴蒸發(fā)的基本理論2.2.1液滴蒸發(fā)的基本模式固著液滴在蒸發(fā)過程中，通常存在兩種基本模式：定接觸半徑（ConstantContactRadius,CCR）模式和定接觸角（ConstantContactAngle,CCA）模式。在定接觸半徑模式下，液滴與表面接觸的圓周半徑保持不變。這是由于液滴在表面上受到較強(qiáng)的附著力作用，使得液滴在蒸發(fā)過程中難以發(fā)生移動。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，液滴體積逐漸減小，液滴的高度和接觸角不斷減小。這種模式常見于親水性較強(qiáng)的表面上的液滴蒸發(fā)，因?yàn)橛H水性表面對液滴的附著力較大，能夠抑制液滴的移動。在光滑的玻璃表面上，水滴蒸發(fā)時往往呈現(xiàn)定接觸半徑模式。定接觸角模式則是指液滴在蒸發(fā)過程中接觸角保持恒定。當(dāng)液滴與表面之間的附著力較弱，而表面張力相對較大時，液滴更容易以定接觸角模式蒸發(fā)。在這種模式下，隨著液滴體積的減小，液滴的接觸半徑逐漸減小，而高度基本保持不變。疏水性表面上的液滴蒸發(fā)通常屬于定接觸角模式，例如在超疏水表面上，液滴與表面的接觸角很大，附著力很小，液滴在蒸發(fā)時傾向于保持接觸角不變，通過減小接觸半徑來維持自身的形態(tài)。除了這兩種典型模式外，液滴蒸發(fā)還可能出現(xiàn)接觸半徑和接觸角都變化的混合模式。當(dāng)液滴在蒸發(fā)過程中，表面的性質(zhì)不均勻，或者受到外界干擾時，液滴可能會在不同階段表現(xiàn)出不同的蒸發(fā)模式，從而出現(xiàn)混合模式。在具有微納結(jié)構(gòu)的表面上，液滴與表面的接觸情況較為復(fù)雜，可能在蒸發(fā)初期呈現(xiàn)定接觸半徑模式，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，當(dāng)液滴體積減小到一定程度時，接觸角開始發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Ｊ?。液滴蒸發(fā)模式的轉(zhuǎn)變條件主要與液滴與表面之間的相互作用力以及外界環(huán)境因素有關(guān)。當(dāng)液滴與表面之間的附著力大于表面張力在水平方向上的分力時，液滴傾向于保持定接觸半徑模式；反之，當(dāng)表面張力在水平方向上的分力大于附著力時，液滴更容易以定接觸角模式蒸發(fā)。外界環(huán)境因素如溫度、濕度、氣流等也會影響蒸發(fā)模式的轉(zhuǎn)變。較高的溫度和較大的氣流速度會加快液滴的蒸發(fā)速率，可能導(dǎo)致液滴在蒸發(fā)過程中更容易發(fā)生形態(tài)變化，從而促使蒸發(fā)模式的轉(zhuǎn)變。2.2.2蒸發(fā)過程中的界面現(xiàn)象氣液界面在液滴蒸發(fā)過程中起著關(guān)鍵作用，其熱力學(xué)和動力學(xué)特性對蒸發(fā)行為有著重要影響。從熱力學(xué)角度來看，氣液界面存在著界面張力，它是液體表面分子間相互作用力的宏觀表現(xiàn)。界面張力使得液體表面具有收縮的趨勢，力圖使液滴的表面積最小化。在液滴蒸發(fā)過程中，界面張力的大小會影響液滴的形狀和表面曲率。當(dāng)界面張力較大時，液滴更傾向于保持球形，以減小表面積，降低表面能；而當(dāng)界面張力較小時，液滴更容易發(fā)生變形，與表面的接觸面積增大。接觸角是描述液滴與固體表面相互作用的重要參數(shù)，它與界面張力密切相關(guān)。根據(jù)Young方程：\cos\theta=\frac{\gamma_{s-g}-\gamma_{s-l}}{\gamma_{l-g}}其中，\theta為接觸角，\gamma_{s-g}為固-氣界面張力，\gamma_{s-l}為固-液界面張力，\gamma_{l-g}為液-氣界面張力。接觸角反映了液滴在固體表面的潤濕性，接觸角越小，液滴在表面的潤濕性越好，液滴越容易在表面鋪展；接觸角越大，潤濕性越差，液滴越傾向于保持球形。在液滴蒸發(fā)過程中，接觸角的變化會影響液滴與表面的接觸面積，進(jìn)而影響蒸發(fā)速率。當(dāng)接觸角減小時，液滴與表面的接觸面積增大，蒸發(fā)面積增加，蒸發(fā)速率加快；反之，接觸角增大，蒸發(fā)面積減小，蒸發(fā)速率減慢。從動力學(xué)角度來看，氣液界面上存在著質(zhì)量傳遞和熱量傳遞過程。在蒸發(fā)過程中，液滴表面的液體分子獲得足夠的能量，克服分子間的引力，從液相進(jìn)入氣相，形成蒸汽。這個過程中，蒸汽分子在氣液界面上的擴(kuò)散速率以及蒸汽與周圍氣體的混合情況都會影響蒸發(fā)速率。氣液界面上的熱量傳遞也非常重要，蒸發(fā)過程需要吸收熱量，熱量從周圍環(huán)境傳遞到液滴表面，為蒸發(fā)提供能量。如果熱量傳遞不及時，液滴表面溫度會降低，導(dǎo)致蒸發(fā)速率減慢。2.2.3影響液滴蒸發(fā)的因素液滴蒸發(fā)受到多種因素的影響，包括環(huán)境因素和內(nèi)在因素。環(huán)境因素中，溫度是影響蒸發(fā)的重要因素之一。溫度升高，液體分子的熱運(yùn)動加劇，分子具有更高的能量，更容易克服分子間的引力從液相逸出進(jìn)入氣相，從而加快蒸發(fā)速率。根據(jù)克勞修斯-克拉佩龍方程：\frac{dP}{dT}=\frac{\DeltaH_{vap}}{T\DeltaV}其中，P為蒸汽壓，T為溫度，\DeltaH_{vap}為汽化潛熱，\DeltaV為氣相與液相的體積差。隨著溫度升高，蒸汽壓迅速增大，液滴與周圍環(huán)境之間的蒸汽壓差增大，促進(jìn)了液滴的蒸發(fā)。濕度對液滴蒸發(fā)也有顯著影響。環(huán)境濕度越高，空氣中水蒸氣的含量越大，液滴與周圍環(huán)境之間的蒸汽壓差越小，液滴蒸發(fā)速率越慢。當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到飽和時，液滴蒸發(fā)幾乎停止。在潮濕的天氣中，水滴蒸發(fā)速度明顯慢于干燥天氣。氣流是影響液滴蒸發(fā)的另一個重要環(huán)境因素。氣流的存在會加快液滴周圍蒸汽的擴(kuò)散，使液滴表面的蒸汽分壓降低，增大液滴與周圍環(huán)境之間的蒸汽壓差，從而加速液滴的蒸發(fā)。強(qiáng)風(fēng)天氣下，水面蒸發(fā)速度會明顯加快。從內(nèi)在因素來看，液體性質(zhì)對液滴蒸發(fā)有重要影響。表面張力較大的液體，液滴更傾向于保持球形，與表面的接觸面積較小，蒸發(fā)速率相對較慢；而表面張力較小的液體，液滴容易鋪展，接觸面積大，蒸發(fā)速率較快。液體的黏度也會影響蒸發(fā)，黏度較大的液體，分子間的相互作用力較強(qiáng)，液體分子的擴(kuò)散速度較慢，導(dǎo)致蒸發(fā)速率降低。液滴尺寸也是影響蒸發(fā)的內(nèi)在因素之一。一般來說，液滴尺寸越小，比表面積越大，單位體積的液滴與周圍環(huán)境的接觸面積越大，蒸發(fā)速率越快。小液滴在相同條件下比大液滴蒸發(fā)得更快。三、復(fù)雜表面特性對固著液滴蒸發(fā)的影響3.1表面微觀結(jié)構(gòu)的影響3.1.1表面粗糙度的作用表面粗糙度是影響固著液滴蒸發(fā)的重要因素之一，它對液滴的接觸角、接觸線移動以及蒸發(fā)速率和模式都有著顯著的影響。當(dāng)表面粗糙度增加時，液滴與表面的接觸面積增大，表面對液滴的附著力增強(qiáng)。根據(jù)Wenzel模型，表面粗糙度會影響接觸角的大?。篭cos\theta'=r\cos\theta其中，\theta'為粗糙表面上的接觸角，\theta為光滑表面上的接觸角，r為表面粗糙度因子，r\geq1。當(dāng)表面粗糙度增大，即r增大時，如果\theta\lt90^{\circ}，則\cos\theta'增大，\theta'減小，液滴在表面的潤濕性變好，接觸角變?。蝗绻鸤theta\gt90^{\circ}，則\cos\theta'減小，\theta'增大，潤濕性變差，接觸角增大。在親水性的粗糙表面上，水滴的接觸角會比在光滑表面上更小，液滴更容易鋪展。表面粗糙度還會影響液滴蒸發(fā)過程中的接觸線移動。在粗糙表面上，液滴的接觸線可能會被表面的微觀凸起所釘扎，導(dǎo)致接觸線移動困難。當(dāng)液滴蒸發(fā)時，接觸線的釘扎會使得液滴在某些區(qū)域的蒸發(fā)速率減慢，而在其他區(qū)域蒸發(fā)速率相對較快，從而導(dǎo)致液滴蒸發(fā)過程中出現(xiàn)非均勻蒸發(fā)。這種非均勻蒸發(fā)會影響液滴的蒸發(fā)模式，使得液滴可能在蒸發(fā)過程中出現(xiàn)形狀的不規(guī)則變化。表面粗糙度對液滴蒸發(fā)速率的影響較為復(fù)雜。一方面，表面粗糙度增大導(dǎo)致接觸面積增大，有利于熱量和質(zhì)量的傳遞，從這個角度看，會加快液滴的蒸發(fā)速率。另一方面，接觸線的釘扎會阻礙液滴的正常蒸發(fā)，使得蒸發(fā)速率降低。具體的影響取決于表面粗糙度的大小、液滴的性質(zhì)以及環(huán)境條件等因素。當(dāng)表面粗糙度較小時，接觸面積增大對蒸發(fā)速率的促進(jìn)作用可能占主導(dǎo)，液滴蒸發(fā)速率加快；當(dāng)表面粗糙度較大時，接觸線釘扎的阻礙作用可能更為顯著，導(dǎo)致蒸發(fā)速率減慢。有研究通過實(shí)驗(yàn)觀察了不同粗糙度表面上液滴的蒸發(fā)行為。在粗糙度較小的表面上，液滴蒸發(fā)速率隨著粗糙度的增加而略有增加；而在粗糙度較大的表面上，液滴蒸發(fā)速率反而降低，且蒸發(fā)過程中液滴形狀出現(xiàn)明顯的不規(guī)則變化。3.1.2微納結(jié)構(gòu)的效應(yīng)微納結(jié)構(gòu)如微柱、納米孔等對固著液滴的蒸發(fā)過程有著獨(dú)特的影響，主要體現(xiàn)在對液滴的釘扎、毛細(xì)作用以及對傳熱傳質(zhì)的影響等方面。微納結(jié)構(gòu)會對液滴產(chǎn)生釘扎作用。以微柱結(jié)構(gòu)為例，當(dāng)液滴落在微柱陣列表面時，液滴可能會被微柱所限制，接觸線被釘扎在微柱的邊緣。這種釘扎作用使得液滴在蒸發(fā)過程中難以自由移動，改變了液滴的蒸發(fā)模式。與光滑表面相比，在微柱陣列表面上的液滴更容易保持定接觸半徑模式蒸發(fā)。由于接觸線被釘扎，液滴在蒸發(fā)時只能通過減小高度來減小體積，導(dǎo)致液滴的蒸發(fā)壽命延長。納米孔結(jié)構(gòu)則具有較強(qiáng)的毛細(xì)作用。當(dāng)液滴與納米孔表面接觸時，液體可能會在毛細(xì)力的作用下進(jìn)入納米孔中。根據(jù)拉普拉斯方程：\DeltaP=\frac{2\gamma\cos\theta}{r}其中，\DeltaP為毛細(xì)壓力差，\gamma為表面張力，\theta為接觸角，r為納米孔半徑。納米孔半徑越小，毛細(xì)壓力差越大，液體越容易被吸入納米孔中。液體進(jìn)入納米孔后，增大了液滴與表面的接觸面積，同時也改變了液滴的傳熱傳質(zhì)路徑。在傳熱方面，微納結(jié)構(gòu)增加了液滴與表面之間的傳熱面積，強(qiáng)化了熱傳導(dǎo)。納米孔中的液體與表面的接觸更為緊密，熱量可以更快速地從表面?zhèn)鬟f到液滴內(nèi)部。在具有納米孔結(jié)構(gòu)的表面上，液滴蒸發(fā)時的表面溫度分布更加均勻，這是因?yàn)榧{米孔的毛細(xì)作用使得液體在表面的分布更加均勻，促進(jìn)了熱量的均勻傳遞。在傳質(zhì)方面，微納結(jié)構(gòu)改變了液滴表面的蒸汽擴(kuò)散路徑。微柱結(jié)構(gòu)之間的空隙以及納米孔的存在，為蒸汽的擴(kuò)散提供了額外的通道，使得蒸汽更容易從液滴表面擴(kuò)散到周圍環(huán)境中。這種改變有助于提高液滴的蒸發(fā)速率。但如果微納結(jié)構(gòu)過于密集，也可能會阻礙蒸汽的擴(kuò)散，導(dǎo)致蒸發(fā)速率降低。有研究通過數(shù)值模擬分析了微納結(jié)構(gòu)對液滴蒸發(fā)過程中傳熱傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明，在適當(dāng)?shù)奈⒓{結(jié)構(gòu)參數(shù)下，液滴的蒸發(fā)速率可以得到顯著提高，同時液滴內(nèi)部的溫度和濃度分布也會發(fā)生明顯變化。3.2表面化學(xué)性質(zhì)的影響3.2.1表面潤濕性的影響表面潤濕性是指液體在固體表面上的鋪展能力，它對固著液滴的蒸發(fā)過程有著顯著的影響，主要通過改變液滴的接觸角和鋪展行為來實(shí)現(xiàn)。親水性表面對液滴的接觸角和鋪展行為有明顯的影響。當(dāng)液滴處于親水性表面時，由于表面與液滴分子之間的相互作用力較強(qiáng)，液滴與表面的接觸角較小。根據(jù)Young方程，親水性表面的固-氣界面張力\gamma_{s-g}相對較小，使得\cos\theta=\frac{\gamma_{s-g}-\gamma_{s-l}}{\gamma_{l-g}}的值較大，從而接觸角\theta較小。在親水性的玻璃表面上，水滴的接觸角通常小于90°。較小的接觸角使得液滴在表面上更容易鋪展，液滴與表面的接觸面積增大。這會導(dǎo)致液滴的蒸發(fā)面積增加，蒸發(fā)速率加快。由于接觸面積增大，熱量從表面?zhèn)鬟f到液滴的效率也會提高，進(jìn)一步促進(jìn)了液滴的蒸發(fā)。疏水性表面則呈現(xiàn)出與親水性表面相反的特性。在疏水性表面上，表面與液滴分子之間的相互作用力較弱，液滴與表面的接觸角較大。例如，在超疏水的荷葉表面上，水滴的接觸角可大于150°。較大的接觸角使得液滴在表面上更傾向于保持球形，接觸面積相對較小。這使得液滴的蒸發(fā)面積減小，蒸發(fā)速率減慢。由于液滴與表面的接觸面積小，熱量傳遞的路徑相對較長，也會降低熱量傳遞的效率，從而抑制液滴的蒸發(fā)。表面潤濕性還會影響液滴蒸發(fā)過程中的蒸發(fā)模式。在親水性表面上，由于液滴與表面的附著力較大，液滴在蒸發(fā)過程中更傾向于保持定接觸半徑模式。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，液滴體積減小，高度降低，接觸角逐漸減小。而在疏水性表面上，液滴與表面的附著力較小，表面張力在水平方向上的分力相對較大，液滴更容易以定接觸角模式蒸發(fā)。在蒸發(fā)過程中，液滴的接觸半徑逐漸減小，而高度基本保持不變。表面潤濕性的差異還會導(dǎo)致液滴在蒸發(fā)過程中出現(xiàn)不同的溫度分布。親水性表面上的液滴由于接觸面積大，熱量傳遞均勻，液滴表面的溫度分布相對較為均勻。而疏水性表面上的液滴接觸面積小，熱量傳遞相對困難，液滴表面可能會出現(xiàn)溫度梯度，導(dǎo)致蒸發(fā)過程中的非均勻蒸發(fā)。3.2.2表面電荷的作用表面電荷的存在會對固著液滴的蒸發(fā)過程產(chǎn)生重要影響，主要體現(xiàn)在對液滴內(nèi)部電場分布、離子遷移以及蒸發(fā)速率和產(chǎn)物分布等方面。當(dāng)表面帶有電荷時，會在液滴內(nèi)部產(chǎn)生電場分布。根據(jù)靜電學(xué)原理，電荷會在液滴與表面之間形成電場，電場強(qiáng)度的大小和方向取決于表面電荷的密度和分布。如果表面帶有正電荷，液滴內(nèi)部會形成指向表面的電場；反之，如果表面帶有負(fù)電荷，電場方向則背離表面。這種電場分布會影響液滴內(nèi)部的離子遷移。在液滴內(nèi)部，存在著各種離子，如陽離子和陰離子。在電場的作用下，離子會發(fā)生遷移。陽離子會向帶負(fù)電荷的表面移動，而陰離子則會向帶正電荷的表面移動。這種離子遷移會改變液滴內(nèi)部的濃度分布。如果液滴中含有電解質(zhì)，離子遷移會導(dǎo)致液滴內(nèi)部的電解質(zhì)濃度在不同區(qū)域發(fā)生變化。在靠近表面的區(qū)域，由于離子的聚集，電解質(zhì)濃度可能會升高；而在液滴中心區(qū)域，濃度則相對較低。表面電荷對液滴蒸發(fā)速率的影響較為復(fù)雜。一方面，電場作用下的離子遷移會改變液滴內(nèi)部的濃度分布，進(jìn)而影響液滴表面的蒸汽壓。根據(jù)拉烏爾定律，溶液中溶質(zhì)濃度的變化會影響溶劑的蒸汽壓。當(dāng)液滴內(nèi)部離子濃度發(fā)生變化時，液滴表面的蒸汽壓也會相應(yīng)改變，從而影響蒸發(fā)速率。如果離子遷移導(dǎo)致液滴表面蒸汽壓降低，蒸發(fā)速率會減慢；反之，蒸汽壓升高，蒸發(fā)速率會加快。另一方面，電場還可能會影響液滴表面的界面性質(zhì)，如界面張力。電場與界面電荷的相互作用會改變界面張力的大小，進(jìn)而影響液滴的形狀和蒸發(fā)行為。表面電荷還會對蒸發(fā)產(chǎn)物的分布產(chǎn)生影響。在液滴蒸發(fā)過程中，隨著液體的逐漸蒸發(fā)，液滴內(nèi)部的溶質(zhì)會逐漸濃縮。由于離子在電場作用下的遷移，溶質(zhì)在液滴內(nèi)部的分布不均勻，這會導(dǎo)致蒸發(fā)產(chǎn)物在表面的分布也不均勻。在某些情況下，表面電荷的存在可能會使得溶質(zhì)在表面的特定區(qū)域聚集，形成特定的圖案或結(jié)構(gòu)。有研究通過實(shí)驗(yàn)觀察到，在帶有表面電荷的表面上，液滴蒸發(fā)后留下的溶質(zhì)會呈現(xiàn)出規(guī)律性的分布，這與表面電荷對離子遷移和蒸發(fā)過程的影響密切相關(guān)。3.3復(fù)雜表面的綜合影響案例分析3.3.1荷葉表面的液滴蒸發(fā)荷葉表面呈現(xiàn)出獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是其展現(xiàn)特殊性能的關(guān)鍵因素。在微觀層面，荷葉表面布滿了微米級的乳突，這些乳突的平均直徑大約在5-9μm之間。更為精細(xì)的是，每個乳突又由平均直徑約為124.3nm的納米結(jié)構(gòu)分支組成。乳突之間的表面同樣存在納米結(jié)構(gòu)，這些微納結(jié)構(gòu)相互交織，構(gòu)建起了荷葉表面復(fù)雜而有序的微觀形貌。荷葉表面還覆蓋著一層具有低表面能的蠟狀物質(zhì)，這層蠟狀物質(zhì)與微納結(jié)構(gòu)協(xié)同作用，賦予了荷葉超疏水的特性。當(dāng)水滴落在荷葉表面時，由于微納結(jié)構(gòu)的存在，水滴與荷葉表面形成了一種特殊的接觸狀態(tài)，即Cassie狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，水滴主要與乳突的頂部接觸，而乳突之間的空隙則被空氣填充，形成了一層極薄的空氣膜。這層空氣膜有效地減少了水滴與荷葉表面的實(shí)際接觸面積，使得水滴在荷葉表面的接觸角大于150°，滾動角小于10°。這種超疏水特性對液滴蒸發(fā)產(chǎn)生了顯著影響。在蒸發(fā)模式方面，由于水滴與荷葉表面的附著力極小，水滴在蒸發(fā)過程中傾向于保持定接觸角模式。隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，水滴的體積逐漸減小，接觸半徑也相應(yīng)減小，而接觸角基本保持不變。這種蒸發(fā)模式與在普通表面上的蒸發(fā)模式有很大區(qū)別，普通表面上的水滴可能會因?yàn)楦街^大而出現(xiàn)定接觸半徑模式或混合模式的蒸發(fā)。從蒸發(fā)速率來看，荷葉表面的超疏水特性使得液滴蒸發(fā)速率相對較慢。這是因?yàn)樗闻c荷葉表面的接觸面積小，熱量傳遞的路徑相對較長，熱量從周圍環(huán)境傳遞到水滴的效率較低。同時，空氣膜的存在也阻礙了蒸汽的擴(kuò)散，使得蒸汽從水滴表面擴(kuò)散到周圍環(huán)境的速度減慢。在相同的環(huán)境條件下，水滴在荷葉表面的蒸發(fā)時間明顯長于在親水表面上的蒸發(fā)時間。荷葉表面的超疏水特性在自清潔和防霧等應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。在自清潔方面，由于水滴在荷葉表面的接觸角很大，水滴在荷葉表面滾動時能夠帶走表面的灰塵和雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)自清潔的效果。當(dāng)灰塵落在荷葉表面后，一旦有水滴滾動經(jīng)過，灰塵就會被水滴包裹并帶走，使得荷葉表面始終保持清潔。在防霧方面，當(dāng)水蒸氣在荷葉表面凝結(jié)成小水滴時，由于超疏水特性，小水滴會迅速聚集成大水滴并滾落，從而避免了霧滴在荷葉表面的附著和積累，保持了荷葉表面的清晰。3.3.2超疏水金屬表面的液滴蒸發(fā)超疏水金屬表面的制備方法主要包括表面微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建和低表面能物質(zhì)修飾兩個關(guān)鍵步驟。在表面微納結(jié)構(gòu)構(gòu)建方面，常用的方法有光刻技術(shù)、電化學(xué)刻蝕、激光加工等。光刻技術(shù)能夠精確控制微納結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，通過光刻膠的曝光和顯影，在金屬表面形成微米級或納米級的圖案。電化學(xué)刻蝕則是利用電化學(xué)原理，在金屬表面通過控制電流和電解液的組成，刻蝕出各種微納結(jié)構(gòu)。激光加工具有高精度、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，通過聚焦激光束對金屬表面進(jìn)行燒蝕或熔化，形成微納結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)后，需要對金屬表面進(jìn)行低表面能物質(zhì)修飾。常用的低表面能物質(zhì)有氟硅烷、聚四氟乙烯等。氟硅烷分子含有氟原子，氟原子的電負(fù)性大，使得氟硅烷具有極低的表面能。將金屬表面浸泡在氟硅烷溶液中，氟硅烷分子會在金屬表面形成一層致密的單分子膜，降低金屬表面的表面能。聚四氟乙烯也具有優(yōu)異的低表面能特性，可以通過噴涂、涂覆等方法在金屬表面形成涂層，實(shí)現(xiàn)表面的低表面能修飾。超疏水金屬表面對液滴蒸發(fā)的影響顯著。在蒸發(fā)模式上，與荷葉表面類似，液滴在超疏水金屬表面更傾向于定接觸角模式蒸發(fā)。這是因?yàn)槌杷饘俦砻娴牡捅砻婺芎臀⒓{結(jié)構(gòu)使得液滴與表面的附著力很小，表面張力在水平方向上的分力相對較大，液滴難以保持固定的接觸半徑。在蒸發(fā)過程中，液滴隨著體積的減小，接觸半徑逐漸減小，而接觸角基本維持在較大的值。在蒸發(fā)速率方面，超疏水金屬表面上的液滴蒸發(fā)速率相對較慢。一方面，微納結(jié)構(gòu)增加了液滴與表面之間的氣-液界面，阻礙了熱量和質(zhì)量的傳遞。熱量從周圍環(huán)境傳遞到液滴需要克服更多的阻力，蒸汽從液滴表面擴(kuò)散到周圍環(huán)境也變得更加困難。另一方面，低表面能使得液滴在表面的鋪展程度小，接觸面積小，進(jìn)一步降低了傳熱傳質(zhì)效率。有研究表明，在相同條件下，水滴在超疏水金屬表面的蒸發(fā)時間比在普通金屬表面延長了數(shù)倍。超疏水金屬表面在防腐蝕、防結(jié)冰等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。在防腐蝕方面，超疏水表面能夠有效阻止水和腐蝕性介質(zhì)與金屬表面的直接接觸。由于液滴在超疏水金屬表面難以鋪展和停留，水和腐蝕性離子無法在金屬表面積聚，從而減少了金屬的腐蝕機(jī)會。在海洋環(huán)境中，超疏水金屬材料可以用于制造船舶的外殼、海上石油平臺的結(jié)構(gòu)件等，延長其使用壽命。在防結(jié)冰方面，超疏水表面能夠降低冰與金屬表面的粘附力。當(dāng)溫度降低，水蒸氣在超疏水金屬表面凝結(jié)成水滴并凍結(jié)時，由于表面的超疏水性，冰與表面的接觸面積小，粘附力弱，冰更容易從表面脫落。這在航空航天領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身等部件采用超疏水金屬材料，可以減少結(jié)冰對飛行安全的影響。四、多物理場耦合對固著液滴蒸發(fā)的作用機(jī)制4.1熱-流-質(zhì)耦合機(jī)制4.1.1熱毛細(xì)對流與蒸發(fā)的耦合熱毛細(xì)對流，又稱Marangoni對流，是一種由于液體表面張力隨溫度變化而產(chǎn)生的流體流動現(xiàn)象。其產(chǎn)生原理基于表面張力梯度。當(dāng)液滴表面存在溫度梯度時，表面張力也會隨之發(fā)生變化。根據(jù)吉布斯-湯姆遜方程，表面張力與溫度之間存在如下關(guān)系：\frac{d\gamma}{dT}=-\frac{S}{A}其中，\gamma為表面張力，T為溫度，S為表面熵，A為表面積。通常情況下，表面張力隨溫度升高而減小。當(dāng)液滴表面某區(qū)域溫度較高時，該區(qū)域表面張力較?。欢鴾囟容^低區(qū)域的表面張力較大。這種表面張力的差異會導(dǎo)致液體表面產(chǎn)生切向應(yīng)力，從而驅(qū)動液體從表面張力小的區(qū)域（高溫區(qū)）向表面張力大的區(qū)域（低溫區(qū)）流動，形成熱毛細(xì)對流。熱毛細(xì)對流對液滴內(nèi)部溫度分布有著顯著影響。在液滴內(nèi)部，熱毛細(xì)對流會加速熱量的傳遞。隨著熱毛細(xì)對流的進(jìn)行，高溫區(qū)域的熱量被快速輸送到低溫區(qū)域，使得液滴內(nèi)部的溫度分布更加均勻。在一個受熱不均勻的液滴中，熱毛細(xì)對流會使液滴中心的高溫區(qū)域與邊緣的低溫區(qū)域之間的熱量交換加快，減小溫度梯度。這一過程有助于提高液滴整體的蒸發(fā)效率，因?yàn)闇囟鹊木鶆蚍植际沟靡旱伪砻娓魈幍恼舭l(fā)速率更加接近，避免了因局部溫度過高或過低導(dǎo)致的蒸發(fā)不均勻現(xiàn)象。熱毛細(xì)對流還會改變液滴內(nèi)部的濃度分布。當(dāng)液滴中含有溶質(zhì)時，熱毛細(xì)對流會帶動溶質(zhì)在液滴內(nèi)部的傳輸。在對流的作用下，溶質(zhì)會隨著液體的流動而重新分布。在熱毛細(xì)對流較強(qiáng)的區(qū)域，溶質(zhì)被快速帶走，導(dǎo)致該區(qū)域溶質(zhì)濃度降低；而在對流較弱的區(qū)域，溶質(zhì)逐漸積累，濃度升高。這種濃度分布的變化會進(jìn)一步影響液滴的蒸發(fā)過程，因?yàn)槿苜|(zhì)濃度的差異會導(dǎo)致液滴表面蒸汽壓的不同，從而影響蒸發(fā)速率。如果溶質(zhì)濃度較高的區(qū)域蒸汽壓較低，該區(qū)域的蒸發(fā)速率會相對較慢；反之，蒸發(fā)速率會加快。熱毛細(xì)對流對液滴蒸發(fā)速率的影響較為復(fù)雜。一方面，熱毛細(xì)對流加速了液滴內(nèi)部的熱量和質(zhì)量傳遞，使得液滴表面能夠更快地獲得蒸發(fā)所需的熱量，同時也加快了蒸汽從液滴表面擴(kuò)散到周圍環(huán)境的速度，從而有利于提高蒸發(fā)速率。另一方面，熱毛細(xì)對流可能會改變液滴的形狀和表面曲率。當(dāng)熱毛細(xì)對流較強(qiáng)時，液滴可能會發(fā)生變形，表面變得更加復(fù)雜，這可能會增加液滴與周圍環(huán)境之間的熱阻和質(zhì)阻，對蒸發(fā)速率產(chǎn)生一定的抑制作用。熱毛細(xì)對流對液滴蒸發(fā)速率的影響取決于多種因素，如液滴的性質(zhì)、溫度梯度的大小、表面張力的變化程度等。在某些情況下，熱毛細(xì)對流的促進(jìn)作用可能占主導(dǎo)，使得液滴蒸發(fā)速率顯著提高；而在另一些情況下，其抑制作用可能更為明顯，導(dǎo)致蒸發(fā)速率降低。4.1.2流體流動與傳質(zhì)的相互作用流體流動對物質(zhì)擴(kuò)散具有重要影響，其對物質(zhì)擴(kuò)散的促進(jìn)或阻礙作用取決于多種因素。在層流狀態(tài)下，流體分層流動，各層之間的物質(zhì)交換相對較弱。在液滴蒸發(fā)過程中，如果液滴周圍的氣流處于層流狀態(tài)，蒸汽分子主要通過分子擴(kuò)散的方式從液滴表面擴(kuò)散到周圍環(huán)境中。此時，流體流動方向與物質(zhì)擴(kuò)散方向相互垂直，流體流動對物質(zhì)擴(kuò)散的促進(jìn)作用相對較小。但在靠近液滴表面的區(qū)域，由于流體速度較低，濃度梯度較大，分子擴(kuò)散仍然是物質(zhì)傳遞的主要方式。當(dāng)流體處于湍流狀態(tài)時，情況則截然不同。湍流中存在著強(qiáng)烈的渦旋和混合，使得流體內(nèi)部的物質(zhì)能夠快速混合和交換。在液滴蒸發(fā)過程中，湍流流動能夠極大地促進(jìn)蒸汽分子的擴(kuò)散。湍流中的渦旋不斷地將液滴表面的蒸汽卷吸到周圍環(huán)境中，同時將周圍環(huán)境中的新鮮空氣帶到液滴表面，增大了液滴與周圍環(huán)境之間的蒸汽壓差，從而加速了蒸發(fā)過程。在工業(yè)噴霧干燥過程中，通過引入湍流氣流，可以顯著提高液滴的蒸發(fā)速率，加快干燥過程。在液滴蒸發(fā)過程中，流體流動對界面?zhèn)髻|(zhì)有著重要影響。界面?zhèn)髻|(zhì)是指物質(zhì)在液滴表面的氣-液界面上的傳遞過程，包括液體分子的蒸發(fā)和蒸汽分子的凝結(jié)。流體流動會改變液滴表面的蒸汽濃度分布和速度分布，進(jìn)而影響界面?zhèn)髻|(zhì)。當(dāng)流體流動速度較大時，液滴表面的蒸汽被快速帶走，使得液滴表面的蒸汽濃度降低，增大了液滴與周圍環(huán)境之間的蒸汽壓差，促進(jìn)了液體分子的蒸發(fā)。流體流動還會影響液滴表面的溫度分布，進(jìn)而影響界面?zhèn)髻|(zhì)。如果流體流動能夠及時帶走蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量，保持液滴表面溫度穩(wěn)定，有利于維持較高的蒸發(fā)速率。流體流動還會影響液滴表面的邊界層厚度。邊界層是指在液滴表面附近，流體速度和溫度、濃度等物理量發(fā)生劇烈變化的薄層。邊界層厚度對界面?zhèn)髻|(zhì)有著重要影響，邊界層越薄，物質(zhì)傳遞的阻力越小，界面?zhèn)髻|(zhì)效率越高。當(dāng)流體流動速度增大時，邊界層厚度會減小，從而降低了物質(zhì)傳遞的阻力，促進(jìn)了界面?zhèn)髻|(zhì)。但如果流體流動速度過大，可能會導(dǎo)致液滴表面的邊界層發(fā)生分離，形成漩渦，這反而會增加物質(zhì)傳遞的阻力，對界面?zhèn)髻|(zhì)產(chǎn)生不利影響。4.2電場、磁場與蒸發(fā)的耦合4.2.1電場對液滴蒸發(fā)的影響在電場作用下，液滴會出現(xiàn)多種特殊現(xiàn)象，其中電遷移和電暈放電較為典型。當(dāng)液滴處于電場中時，液滴內(nèi)部會形成感應(yīng)電荷。根據(jù)庫侖定律，這些感應(yīng)電荷會受到電場力的作用。液滴中的離子在電場力的驅(qū)動下發(fā)生定向移動，從而產(chǎn)生電遷移現(xiàn)象。如果液滴中含有帶電粒子，如離子或帶電膠體顆粒，它們會在電場力的作用下向特定方向移動。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定閾值時，液滴表面的電場強(qiáng)度分布不均勻，會導(dǎo)致空氣分子電離，產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象。在電暈放電過程中，液滴表面會出現(xiàn)微弱的發(fā)光和嘶嘶聲，同時會產(chǎn)生臭氧等物質(zhì)。這些現(xiàn)象對液滴蒸發(fā)速率、蒸發(fā)模式和產(chǎn)物分布產(chǎn)生重要影響。從蒸發(fā)速率來看，電遷移會改變液滴內(nèi)部的物質(zhì)分布。如果液滴中含有溶質(zhì)，離子的電遷移會使溶質(zhì)在液滴內(nèi)部重新分布，導(dǎo)致液滴表面的溶質(zhì)濃度發(fā)生變化。根據(jù)拉烏爾定律，溶液中溶質(zhì)濃度的改變會影響溶劑的蒸汽壓。當(dāng)液滴表面溶質(zhì)濃度降低時，蒸汽壓升高，蒸發(fā)速率加快；反之，蒸發(fā)速率減慢。電暈放電會增加液滴與周圍環(huán)境之間的能量交換。放電過程中產(chǎn)生的熱量和活性粒子會促進(jìn)液滴表面分子的熱運(yùn)動，使其更容易克服分子間的引力從液相進(jìn)入氣相，從而加快蒸發(fā)速率。在蒸發(fā)模式方面，電場會改變液滴與表面之間的相互作用力。電遷移產(chǎn)生的電場力可能會與液滴的表面張力和附著力相互作用，影響液滴的形狀和接觸角。如果電場力在水平方向上的分力較大，可能會使液滴在蒸發(fā)過程中更容易保持定接觸半徑模式；反之，如果表面張力在水平方向上的分力仍然占主導(dǎo)，液滴可能會以定接觸角模式蒸發(fā)。電暈放電會使液滴表面的電場分布發(fā)生變化，進(jìn)一步影響液滴與表面之間的相互作用，從而改變蒸發(fā)模式。電場還會對蒸發(fā)產(chǎn)物的分布產(chǎn)生影響。電遷移導(dǎo)致的溶質(zhì)重新分布會使蒸發(fā)產(chǎn)物在液滴表面的分布不均勻。當(dāng)液滴蒸發(fā)時，溶質(zhì)會在液滴表面逐漸濃縮，由于離子在電場作用下的遷移，溶質(zhì)可能會在特定區(qū)域聚集，使得蒸發(fā)產(chǎn)物在表面形成特定的圖案或結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)驗(yàn)中，觀察到在電場作用下，液滴蒸發(fā)后留下的溶質(zhì)呈現(xiàn)出規(guī)律性的條紋狀分布。4.2.2磁場對液滴蒸發(fā)的影響磁場作用下，液滴會產(chǎn)生磁流體動力學(xué)效應(yīng)。當(dāng)液滴為導(dǎo)電流體時，在磁場中會受到洛倫茲力的作用。根據(jù)電磁學(xué)理論，洛倫茲力的表達(dá)式為\vec{F}=q\vec{v}\times\vec{B}，其中\(zhòng)vec{F}為洛倫茲力，q為電荷，\vec{v}為電荷的運(yùn)動速度，\vec{B}為磁場強(qiáng)度。在液滴中，由于電荷的運(yùn)動速度不同，會導(dǎo)致液滴內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的流體運(yùn)動。如果液滴內(nèi)部存在電流，電流與磁場相互作用會使液滴內(nèi)部的流體發(fā)生旋轉(zhuǎn)和變形。這種效應(yīng)會對液滴內(nèi)部流動、傳熱傳質(zhì)和蒸發(fā)過程產(chǎn)生顯著影響。在液滴內(nèi)部流動方面，洛倫茲力會改變液滴內(nèi)部的速度分布。在均勻磁場中，液滴內(nèi)部會形成環(huán)流，使得液滴內(nèi)部的流體運(yùn)動更加復(fù)雜。這種復(fù)雜的流動會加速液滴內(nèi)部的混合，使液滴內(nèi)部的溫度和濃度分布更加均勻。在傳熱傳質(zhì)方面，磁流體動力學(xué)效應(yīng)會增強(qiáng)液滴內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)效率。環(huán)流的形成使得熱量和質(zhì)量能夠更快速地在液滴內(nèi)部傳遞。熱量可以從液滴內(nèi)部的高溫區(qū)域迅速傳遞到低溫區(qū)域，加快了液滴的整體升溫過程，為蒸發(fā)提供了更多的能量。溶質(zhì)在液滴內(nèi)部的擴(kuò)散速度也會加快，使得液滴表面的溶質(zhì)濃度更加均勻，有利于提高蒸發(fā)速率。在蒸發(fā)過程方面，磁場會影響液滴的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)模式。由于磁流體動力學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)了傳熱傳質(zhì)效率，液滴的蒸發(fā)速率通常會加快。磁場對液滴形狀的影響也會改變蒸發(fā)模式。當(dāng)液滴在磁場作用下發(fā)生變形時，其接觸角和接觸半徑會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致蒸發(fā)模式可能從定接觸半徑模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎ń佑|角模式，或者出現(xiàn)混合模式。在一些實(shí)驗(yàn)中，觀察到在強(qiáng)磁場作用下，液滴的蒸發(fā)速率明顯提高，且蒸發(fā)過程中液滴的形狀發(fā)生了顯著變化，蒸發(fā)模式也相應(yīng)改變。4.3多物理場耦合作用的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)值模擬4.3.1實(shí)驗(yàn)研究方法與結(jié)果為深入探究多物理場耦合下液滴蒸發(fā)的實(shí)際過程，本研究精心設(shè)計了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置主要由液滴產(chǎn)生系統(tǒng)、多物理場施加系統(tǒng)、液滴蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)以及環(huán)境控制系統(tǒng)組成。液滴產(chǎn)生系統(tǒng)采用高精度微量注射泵，能夠精確控制液滴的體積和生成頻率，確保實(shí)驗(yàn)中液滴初始條件的一致性。多物理場施加系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，分別施加電場、磁場、熱場和流場。其中，電場通過一對平行電極板產(chǎn)生，可精確調(diào)節(jié)電場強(qiáng)度；磁場由電磁鐵提供，能夠?qū)崿F(xiàn)不同強(qiáng)度和方向的磁場施加；熱場通過加熱臺實(shí)現(xiàn)，可精確控制加熱溫度；流場則通過小型風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，能夠調(diào)節(jié)氣流速度和方向。液滴蒸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)采用高速攝像機(jī)、紅外熱像儀和激光粒度儀等高精度儀器。高速攝像機(jī)以高幀率記錄液滴蒸發(fā)過程中的形狀變化，幀率可達(dá)1000fps，能夠捕捉到液滴蒸發(fā)過程中的細(xì)微動態(tài)；紅外熱像儀實(shí)時監(jiān)測液滴表面的溫度分布，精度可達(dá)0.1℃，能夠清晰地展示液滴在蒸發(fā)過程中的溫度變化情況；激光粒度儀則用于測量液滴的粒徑變化，精度可達(dá)0.1μm，為研究液滴蒸發(fā)速率提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。環(huán)境控制系統(tǒng)可精確控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度、濕度和壓力，溫度控制精度為±0.5℃，濕度控制精度為±5%RH，壓力控制精度為±0.1kPa，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性，減少環(huán)境因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。在實(shí)驗(yàn)過程中，首先利用微量注射泵將一定體積的液滴放置在具有特定微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜表面上。然后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，施加相應(yīng)的多物理場。例如，在研究電場與熱場耦合對液滴蒸發(fā)的影響時，同時開啟加熱臺和電場施加裝置，使液滴處于電場和熱場的共同作用下。利用監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時記錄液滴蒸發(fā)過程中的各項參數(shù)。在不同的電場強(qiáng)度和溫度條件下，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多物理場耦合對液滴蒸發(fā)產(chǎn)生了顯著影響。在電場與熱場耦合的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電場強(qiáng)度增大時，液滴的蒸發(fā)速率明顯加快。這是因?yàn)殡妶鲎饔孟?，液滴?nèi)部的離子遷移改變了液滴內(nèi)部的濃度分布，降低了液滴表面的溶質(zhì)濃度，從而提高了蒸汽壓，加快了蒸發(fā)速率。電場還會使液滴表面的電荷分布發(fā)生變化，影響液滴與表面之間的相互作用力，導(dǎo)致液滴形狀發(fā)生改變，進(jìn)一步影響蒸發(fā)速率。熱場的存在為液滴蒸發(fā)提供了能量，溫度升高，液滴分子的熱運(yùn)動加劇，蒸發(fā)速率加快。電場與熱場的協(xié)同作用使得液滴蒸發(fā)速率的變化更加復(fù)雜。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前文建立的理論模型進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，理論模型預(yù)測的液滴蒸發(fā)速率、溫度分布和濃度分布等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)測量值基本相符。在某些特殊情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型存在一定差異。在電場強(qiáng)度極高時，液滴表面可能會發(fā)生電暈放電等復(fù)雜現(xiàn)象，導(dǎo)致液滴蒸發(fā)過程偏離理論模型的預(yù)測。這可能是由于理論模型在建立過程中對某些復(fù)雜物理過程進(jìn)行了簡化，未能完全考慮到電暈放電等特殊現(xiàn)象對液滴蒸發(fā)的影響。針對這些差異，進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際物理過程，對理論模型進(jìn)行修正和完善，以提高理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3.2數(shù)值模擬方法與驗(yàn)證為了深入研究多物理場耦合下固著液滴的蒸發(fā)過程，采用計算流體力學(xué)（CFD）方法建立了多物理場耦合模型。在模型建立過程中，基于前文所述的傳熱理論、傳質(zhì)理論和流體力學(xué)理論，對控制方程進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)?？紤]了熱傳導(dǎo)、對流、擴(kuò)散以及電場力、磁場力等因素對液滴蒸發(fā)過程的影響。在傳熱方面，根據(jù)傅里葉定律，將熱傳導(dǎo)項納入能量方程。在能量方程中，考慮了液滴內(nèi)部和周圍流體的熱傳導(dǎo)，以及液滴與表面之間的熱交換。熱對流通過流體的速度場進(jìn)行計算，根據(jù)流體的流動情況，確定熱對流的強(qiáng)度和方向。熱輻射則根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律進(jìn)行計算，考慮了液滴和周圍環(huán)境之間的輻射換熱。在傳質(zhì)方面，依據(jù)菲克定律，將物質(zhì)擴(kuò)散項納入質(zhì)量傳輸方程。在質(zhì)量傳輸方程中，考慮了液滴表面的蒸汽擴(kuò)散，以及蒸汽在周圍流體中的擴(kuò)散。界面?zhèn)髻|(zhì)過程通過界面上的質(zhì)量通量進(jìn)行計算，考慮了液體分子的蒸發(fā)和蒸汽分子的凝結(jié)。在流體力學(xué)方面，運(yùn)用納維-斯托克斯方程描述液滴內(nèi)部和周圍流體的流動?？紤]了液滴的表面張力、粘性力以及電場力、磁場力等對流體流動的影響。表面張力通過連續(xù)表面力模型進(jìn)行處理，將表面張力轉(zhuǎn)化為作用在液滴表面的體積力。粘性力則根據(jù)流體的粘性系數(shù)進(jìn)行計算，考慮了流體的粘性對流動的阻礙作用。電場力和磁場力根據(jù)麥克斯韋方程組進(jìn)行計算，將電場力和磁場力納入動量方程中，考慮了電場和磁場對流體的作用。通過數(shù)值計算方法對上述控制方程進(jìn)行求解。采用有限體積法對計算區(qū)域進(jìn)行離散，將連續(xù)的計算區(qū)域劃分為多個小的控制體積。在每個控制體積內(nèi)，對控制方程進(jìn)行積分，得到離散化的方程。采用SIMPLE算法對速度和壓力進(jìn)行耦合求解，通過迭代計算，逐步逼近真實(shí)的速度場和壓力場。在求解過程中，對邊界條件進(jìn)行了合理設(shè)置。在液滴與表面的接觸邊界上，設(shè)置了無滑移邊界條件和溫度、濃度邊界條件。在液滴表面，設(shè)置了氣-液界面的邊界條件，包括表面張力、蒸發(fā)通量等。在計算區(qū)域的外部邊界上，設(shè)置了合適的進(jìn)口和出口邊界條件，考慮了周圍環(huán)境對液滴蒸發(fā)的影響。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對液滴蒸發(fā)過程進(jìn)行數(shù)值模擬。對比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量的液滴蒸發(fā)速率、溫度分布和濃度分布等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。在不同電場強(qiáng)度下液滴蒸發(fā)速率的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的相對誤差在10%以內(nèi)，表明模型能夠較好地預(yù)測多物理場耦合下液滴蒸發(fā)的主要特征。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在一定差異。在模擬液滴蒸發(fā)過程中的溫度分布時，發(fā)現(xiàn)模擬值與實(shí)驗(yàn)值在液滴邊緣區(qū)域存在一定偏差。這可能是由于在數(shù)值模擬過程中，對邊界條件的處理存在一定近似，以及計算過程中的數(shù)值誤差導(dǎo)致的。為了進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性，對模擬結(jié)果進(jìn)行了深入分析，查找可能存在的誤差來源。通過改進(jìn)邊界條件的處理方法，優(yōu)化計算參數(shù)，減小數(shù)值誤差等措施，對模型進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。經(jīng)過優(yōu)化后，模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度得到了顯著提高，能夠更加準(zhǔn)確地描述多物理場耦合下固著液滴的蒸發(fā)過程。五、復(fù)雜表面固著液滴多物理場耦合蒸發(fā)的應(yīng)用5.1在材料制備中的應(yīng)用5.1.1納米材料合成在納米顆粒合成過程中，多物理場耦合蒸發(fā)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。以溶液蒸發(fā)法制備金屬納米顆粒為例，當(dāng)溶液處于復(fù)雜表面時，表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)會顯著影響液滴的蒸發(fā)行為。在具有納米孔結(jié)構(gòu)的表面上，液滴與表面的接觸方式發(fā)生改變，液滴可能會部分填充納米孔，增加了液滴與表面的接觸面積。這種接觸方式的改變會影響蒸發(fā)過程中的傳熱傳質(zhì)，使得溶液中的溶質(zhì)在蒸發(fā)過程中更容易聚集和結(jié)晶，從而有利于納米顆粒的形成。熱場在納米顆粒合成中起著關(guān)鍵作用。加熱能夠提高溶液分子的熱運(yùn)動能量，加快蒸發(fā)速率。隨著溶液的蒸發(fā)，溶質(zhì)濃度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到過飽和狀態(tài)時，溶質(zhì)開始結(jié)晶形成納米顆粒。適當(dāng)提高溫度可以促進(jìn)溶質(zhì)的結(jié)晶過程，使得納米顆粒的生長速度加快。但溫度過高可能導(dǎo)致納米顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，影響納米顆粒的質(zhì)量。在制備銀納米顆粒時，將溶液加熱到一定溫度，隨著溶液的蒸發(fā)，銀離子逐漸聚集形成納米顆粒。當(dāng)溫度控制在合適范圍內(nèi)時，能夠得到粒徑均勻、分散性良好的銀納米顆粒；而當(dāng)溫度過高時，納米顆粒容易團(tuán)聚，粒徑分布變寬。電場和磁場的引入進(jìn)一步豐富了納米顆粒的合成途徑。電場作用下，溶液中的離子會發(fā)生定向遷移，改變了溶質(zhì)在溶液中的分布。這種離子遷移現(xiàn)象會影響納米顆粒的成核和生長過程。在電場作用下，金屬離子可能會在特定區(qū)域聚集，促進(jìn)納米顆粒的成核，從而改變納米顆粒的生長速率和粒徑分布。磁場則可以通過磁流體動力學(xué)效應(yīng)影響溶液的流動和傳熱傳質(zhì)。在磁場作用下，溶液中的流體運(yùn)動會發(fā)生變化，使得溶質(zhì)的擴(kuò)散更加均勻，有利于形成粒徑均勻的納米顆粒。在制備磁性納米顆粒時，磁場的存在可以引導(dǎo)磁性納米顆粒的生長方向，使其具有特定的磁性能。在納米薄膜制備方面，多物理場耦合蒸發(fā)同樣具有重要應(yīng)用。在旋涂法制備納米薄膜過程中，通過控制旋轉(zhuǎn)速度和溫度，可以調(diào)節(jié)液滴在基底表面的鋪展和蒸發(fā)速率。較高的旋轉(zhuǎn)速度會使液滴在基底表面快速鋪展，形成均勻的液膜。隨著溫度的升高，液膜的蒸發(fā)速率加快，溶質(zhì)逐漸在基底表面沉積形成納米薄膜。通過精確控制旋轉(zhuǎn)速度和溫度，可以制備出厚度均勻、質(zhì)量優(yōu)良的納米薄膜。在制備二氧化鈦納米薄膜時，通過調(diào)整旋涂速度和加熱溫度，能夠控制薄膜的厚度和表面粗糙度，使其滿足不同的應(yīng)用需求。熱-流-質(zhì)耦合對納米薄膜的質(zhì)量和性能有著重要影響。熱毛細(xì)對流會導(dǎo)致液膜內(nèi)部的溫度和濃度分布不均勻，從而影響溶質(zhì)的沉積過程。當(dāng)熱毛細(xì)對流較強(qiáng)時，液膜表面的溶質(zhì)可能會被快速帶走，導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)不均勻的溶質(zhì)分布，影響薄膜的質(zhì)量。流體流動也會對納米薄膜的生長產(chǎn)生影響。如果液膜周圍存在氣流，氣流會改變液膜表面的蒸汽濃度分布，進(jìn)而影響溶質(zhì)的沉積速率和薄膜的生長模式。在制備納米薄膜時，需要合理控制熱-流-質(zhì)耦合過程，以確保納米薄膜的質(zhì)量和性能。5.1.2功能材料表面改性利用液滴蒸發(fā)在材料表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)是一種有效的表面改性方法。在光刻技術(shù)中，通過控制光刻膠液滴在材料表面的蒸發(fā)過程，可以實(shí)現(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)的精確控制。當(dāng)光刻膠液滴落在材料表面后，隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，液滴的形狀和體積會發(fā)生變化。在蒸發(fā)初期，液滴在表面張力的作用下保持近似球形。隨著蒸發(fā)的持續(xù)，液滴體積減小，接觸角逐漸減小，液滴開始在表面鋪展。通過精確控制蒸發(fā)速率和時間，可以使光刻膠在材料表面形成特定形狀和尺寸的微納結(jié)構(gòu)。在制備微納光柵結(jié)構(gòu)時，通過調(diào)整光刻膠液滴的蒸發(fā)條件，能夠控制光柵的周期和高度，使其滿足光學(xué)器件的應(yīng)用需求。電場輔助蒸發(fā)在構(gòu)建復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。在電場作用下，液滴內(nèi)部的電荷分布會發(fā)生變化，導(dǎo)致液滴表面的電場分布不均勻。這種不均勻的電場會對液滴的形狀和蒸發(fā)行為產(chǎn)生影響。在電場作用下，液滴可能會發(fā)生變形，形成非對稱的形狀。這種變形會改變液滴表面的蒸發(fā)速率分布，從而實(shí)現(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。在制備具有復(fù)雜形狀的微納結(jié)構(gòu)時，如納米級的螺旋結(jié)構(gòu)，通過施加適當(dāng)?shù)碾妶?，可以使光刻膠液滴在蒸發(fā)過程中形成所需的螺旋形狀，為制備高性能的微納器件提供了新的途徑。除了構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)，液滴蒸發(fā)還可用于在材料表面修飾化學(xué)基團(tuán)，從而改善材料的表面性能。在化學(xué)氣相沉積過程中，通過控制反應(yīng)氣體液滴在材料表面的蒸發(fā)和反應(yīng)，可以在材料表面引入特定的化學(xué)基團(tuán)。當(dāng)含有硅烷的液滴在材料表面蒸發(fā)時，硅烷分子會在材料表面發(fā)生分解和反應(yīng)，形成硅氧鍵，從而在材料表面引入硅基化學(xué)基團(tuán)。這些硅基化學(xué)基團(tuán)可以改變材料表面的潤濕性、化學(xué)活性等性能。硅基化學(xué)基團(tuán)可以增加材料表面的親水性，提高材料在水溶液中的穩(wěn)定性。通過控制液滴蒸發(fā)過程中的溫度、反應(yīng)時間等參數(shù)，可以精確控制化學(xué)基團(tuán)的修飾密度和分布，實(shí)現(xiàn)對材料表面性能的精準(zhǔn)調(diào)控。表面電荷在化學(xué)基團(tuán)修飾過程中起著重要作用。當(dāng)材料表面帶有電荷時，會影響反應(yīng)氣體分子在材料表面的吸附和反應(yīng)。如果材料表面帶有正電荷，帶負(fù)電的反應(yīng)氣體分子更容易吸附在材料表面，從而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。表面電荷還會影響化學(xué)基團(tuán)在材料表面的分布。在電場作用下，化學(xué)基團(tuán)會在材料表面發(fā)生定向排列，形成特定的分布圖案。在制備具有抗菌性能的材料時，通過在材料表面修飾帶有抗菌基團(tuán)的分子，并利用表面電荷和電場的作用，使抗菌基團(tuán)在材料表面均勻分布，從而提高材料的抗菌性能。五、復(fù)雜表面固著液滴多物理場耦合蒸發(fā)的應(yīng)用5.2在能源領(lǐng)域的應(yīng)用5.2.1太陽能利用在太陽能集熱系統(tǒng)中，復(fù)雜表面液滴蒸發(fā)有著重要應(yīng)用。以太陽能海水淡化技術(shù)為例，該技術(shù)通過利用太陽能將海水蒸發(fā)，再將蒸汽冷凝成淡水，實(shí)現(xiàn)海水的淡化。在這個過程中，液滴蒸發(fā)與光熱轉(zhuǎn)換過程緊密耦合。在太陽能海水淡化裝置中，通常采用具有特殊微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜表面來提高蒸發(fā)效率。這些表面能夠增強(qiáng)對太陽能的吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，為液滴蒸發(fā)提供能量。一些表面采用納米多孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠增加對太陽能的吸收。納米多孔結(jié)構(gòu)還能夠促進(jìn)液滴在表面的鋪展，增大液滴與表面的接觸面積，從而提高蒸發(fā)速率。通過在表面修飾親水性化學(xué)基團(tuán)，可增強(qiáng)表面對水的親和力，使液滴更容易在表面蒸發(fā)。熱場在太陽能海水淡化中起著關(guān)鍵作用。太陽能集熱器吸收太陽能后，表面溫度升高，將熱量傳遞給液滴，促進(jìn)液滴的蒸發(fā)。隨著液滴的蒸發(fā)，熱量不斷從表面?zhèn)鬟f到液滴內(nèi)部，維持蒸發(fā)過程的進(jìn)行。在這個過程中，熱傳導(dǎo)、對流和輻射等傳熱方式共同作用。熱傳導(dǎo)使熱量從表面?zhèn)鬟f到液滴內(nèi)部，對流則促進(jìn)了液滴與周圍環(huán)境之間的熱交換，輻射則將部分熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。電場和磁場的引入為太陽能海水淡化技術(shù)帶來了新的發(fā)展方向。電場可以改變液滴表面的電荷分布，影響液滴的蒸發(fā)行為。在電場作用下，液滴表面的離子遷移會改變液滴內(nèi)部的濃度分布，從而影響蒸汽壓和蒸發(fā)速率。磁場則可以通過磁流體動力學(xué)效應(yīng)影響液滴內(nèi)部的流體流動和傳熱傳質(zhì)。在磁場作用下，液滴內(nèi)部的環(huán)流會增強(qiáng)，加快熱量和質(zhì)量的傳遞，提高蒸發(fā)效率。在光催化分解水領(lǐng)域，復(fù)雜表面液滴蒸發(fā)同樣具有重要意義。光催化分解水是利用光催化劑在光照下將水分解為氫氣和氧氣的過程。在這個過程中，液滴蒸發(fā)與光催化反應(yīng)相互作用。光催化劑表面的微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)會影響液滴的蒸發(fā)和光催化反應(yīng)的效率。一些光催化劑表面具有納米級的孔洞和凸起，這些結(jié)構(gòu)能夠增加光催化劑與液滴的接觸面積，提高光催化反應(yīng)的活性。通過在光催化劑表面修飾特定的化學(xué)基團(tuán)，可以調(diào)節(jié)光催化劑的表面電荷和電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)光生載流子的分離和傳輸，從而提高光催化分解水的效率。熱-流-質(zhì)耦合對光催化分解水的效率和穩(wěn)定性有著重要影響。熱毛細(xì)對流會導(dǎo)致液滴內(nèi)部的溫度和濃度分布不均勻，影響光催化反應(yīng)的進(jìn)行。如果熱毛細(xì)對流較強(qiáng)，液滴表面的溶質(zhì)可能會被快速帶走，導(dǎo)致光催化劑表面的活性位點(diǎn)被覆蓋，降低光催化反應(yīng)的效率。流體流動也會對光催化分解水產(chǎn)生影響。如果液滴周圍存在氣流，氣流會改變液滴表面的蒸汽濃度分布，進(jìn)而影響光催化反應(yīng)的速率。在光催化分解水過程中，需要合理控制熱-流-質(zhì)耦合過程，以提高光催化分解水的效率和穩(wěn)定性。5.2.2電池性能提升在電池電極制備過程中，多物理場耦合蒸發(fā)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。以鋰離子電池電極制備為例，傳統(tǒng)的電極制備方法往往存在活性物質(zhì)分布不均勻、電極與集流體之間附著力不足等問題，這些問題會影響電池的性能。而利用多物理場耦合蒸發(fā)可以有效改善這些問題。在制備鋰離子電池電極時，將含有活性物質(zhì)的溶液滴涂在集流體表面，然后通過控制蒸發(fā)過程，使活性物質(zhì)在集流體表面均勻沉積。熱場在這個過程中起著重要作用。加熱可以提高溶液的蒸發(fā)速率，促進(jìn)活性物質(zhì)的快速沉積。但溫度過高可能導(dǎo)致活性物質(zhì)的團(tuán)聚現(xiàn)象加劇，影響電極的性能。在加熱過程中，需要精確控制溫度，使活性物質(zhì)在集流體表面形成均勻的薄膜。電場的引入可以進(jìn)一步優(yōu)化電極的制備過程。在電場作用下，溶液中的帶電粒子會發(fā)生定向遷移，改變活性物質(zhì)在溶液中的分布。這種離子遷移現(xiàn)象會使活性物質(zhì)在集流體表面的沉積更加均勻，提高電極的一致性。電場還可以增強(qiáng)活性物質(zhì)與集流體之間的附著力，提高電極的穩(wěn)定性。通過在電極制備過程中施加適當(dāng)?shù)碾妶?，可以使活性物質(zhì)更好地附著在集流體表面，減少活性物質(zhì)的脫落，從而提高電池的循環(huán)壽命。在電解液優(yōu)化方面，液滴蒸發(fā)也具有重要應(yīng)用。電解液是電池中離子傳輸?shù)慕橘|(zhì)，其性能直接影響電池的充放電性能。通過控制電解液液滴在電極表面的蒸發(fā)過程，可以調(diào)整電解液在電極表面的分布，提高離子傳輸效率。在制備超級電容器的電極時，將含有電解液的液滴滴涂在電極表面，通過控制蒸發(fā)速率和時間，使電解液在電極表面形成均勻的浸潤層。這樣可以確保離子在電極表面的傳輸更加順暢，提高超級電容器的充放電性能。熱-流-質(zhì)耦合對電解液的性能和電池的穩(wěn)定性有著重要影響。熱毛細(xì)對流會導(dǎo)致電解液在電極表面的分布不均勻，影響離子的傳輸。如果熱毛細(xì)對流較強(qiáng)，電解液可能會在電極表面形成局部濃度過高或過低的區(qū)域，導(dǎo)致電池的性能下降。流體流動也會對電解液的分布產(chǎn)生影響。如果電極周圍存在氣流，氣流會改變電解液表面的蒸汽濃度分布，進(jìn)而影響電解液在電極表面的浸潤和離子傳輸。在優(yōu)化電解液過程中，需要合理控制熱-流-質(zhì)耦合過程，以確保電解液在電極表面的均勻分布，提高電池的性能和穩(wěn)定性。5.3在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用5.3.1生物芯片技術(shù)在生物芯片微納結(jié)構(gòu)制備過程中，多物理場耦合蒸發(fā)展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。以光刻技術(shù)為例，光刻膠液滴在復(fù)雜表面的蒸發(fā)過程對微納結(jié)構(gòu)的形成起著關(guān)鍵作用。當(dāng)光刻膠液滴落在具有微納結(jié)構(gòu)的基底表面時，表面的微觀結(jié)構(gòu)會影響液滴的接觸角和鋪展行為。在具有納米柱陣列的基底上，液滴與納米柱的接觸會改變液滴的形狀和蒸發(fā)路徑。由于納米柱的存在，液滴在蒸發(fā)過程中可能會被限制在納米柱之間的空隙中，形成特定形狀的微納結(jié)構(gòu)。通過精確控制蒸發(fā)速率和時間，可以實(shí)現(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的精準(zhǔn)調(diào)控。在制備納米級的微通道結(jié)構(gòu)時，通過調(diào)整光刻膠液滴的蒸發(fā)條件，能夠控制微通道的寬度和深度，滿足生物芯片對微納結(jié)構(gòu)的高精度要求。熱場在微納結(jié)構(gòu)制備中也起著重要作用。加熱可以提高光刻膠液滴的蒸發(fā)速率，促進(jìn)微納結(jié)構(gòu)的快速形成。但溫度過高可能導(dǎo)致光刻膠的熱變形，影響微納結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。在加熱過程中，需要精確控制溫度，確保光刻膠在蒸發(fā)過程中能夠保持穩(wěn)定的形態(tài)，從而形成高質(zhì)量的微納結(jié)構(gòu)。電場輔助蒸發(fā)在生物芯片微納結(jié)構(gòu)制備中具有獨(dú)特的應(yīng)用價值。在電場作用下，光刻膠液滴內(nèi)部的電荷分布會發(fā)生變化，導(dǎo)致液滴表面的電場分布不均勻。這種不均勻的電場會對液滴的形狀和蒸發(fā)行為產(chǎn)生影響。在電場作用下，液滴可能會發(fā)生變形，形成非對稱的形狀。這種變形會改變液滴表面的蒸發(fā)速率分布，從而實(shí)現(xiàn)對微納結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控。在制備具有復(fù)雜形狀的微納結(jié)構(gòu)時，如納米級的螺旋結(jié)構(gòu)，通過施加適當(dāng)?shù)碾妶?，可以使光刻膠液滴在蒸發(fā)過程中形成所需的螺旋形狀，為生物芯片的制備提供了新的技術(shù)手段。在生物分子固定方面，液滴蒸發(fā)可用于將生物分子精準(zhǔn)地固定在芯片表面。當(dāng)含有生物分子的液滴在芯片表面蒸發(fā)時，生物分子會隨著液滴的蒸發(fā)逐漸濃縮并固定在表面。通過控制蒸發(fā)過程中的溫度、濕度等條件，可以調(diào)節(jié)生物分子在芯片表面的固定密度和分布。在制備蛋白質(zhì)芯片時，將含有蛋白質(zhì)的溶液滴涂在芯片表面，通過控制蒸發(fā)速率，使蛋白質(zhì)在芯片表面均勻分布，提高蛋白質(zhì)芯片的檢測靈敏度。表面潤濕性對生物分子固定也有重要影響。親水性表面能夠促進(jìn)生物分子在表面的吸附和固定，而疏水性表面則可能導(dǎo)致生物分子的聚集和不均勻分布。在制備DNA芯片時，選擇親水性的基底表面，能夠使DNA分子更好地固定在表面，提高芯片對DNA的捕獲效率。表面電荷也會影響生物分子的固定。當(dāng)芯片表面帶有電荷時，會與生物分子發(fā)生靜電相互作用，影響生物分子的固定效果。通過調(diào)整芯片表面的電荷性質(zhì)和密度，可以優(yōu)化生物分子在芯片表面的固定。多物理場耦合蒸發(fā)對生物檢測靈敏度的提高具有顯著作用。通過精確控制微納結(jié)構(gòu)的制備和生物分子的固定，能夠提高生物芯片對目標(biāo)生物分子的捕獲效率和檢測準(zhǔn)確性。在癌癥標(biāo)志物檢測中，利用多物理場耦合蒸發(fā)制備的生物芯片，能夠更靈敏地檢測到微量的癌癥標(biāo)志物，為癌癥的早期診斷提供了有力的技術(shù)支持。5.3.2藥物釋放控制利用液滴蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)藥物緩釋和靶向釋放的原理基于對液滴蒸發(fā)過程的精確控制。在藥物緩釋方面，將藥物包裹在具有特定結(jié)構(gòu)的液滴中，通過控制液滴的蒸發(fā)速率來實(shí)現(xiàn)藥物的緩慢釋放。以微膠囊技術(shù)為例，將藥物封裝在微膠囊內(nèi)，微膠囊