ナノ微細構造を持つ固体表面における伝熱機構の究明

纳米结构固体表面传热机理研究

• 批准号: 16760167
• 负责人: 長山 暁子
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology (2005)Tokuyama College of Technology (2004)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16760167/
• 关键词: ナノ微細構造; 分子動力学シミュレーション; 固液界面; 界面濡れ性; 界面エネルギー; 親水性界面; 疎水性界面; 接触角; ナノ構造; 濡れ性; 接触角度; 伝熱促進; 分子境界条件; 流動抵抗

ナノテクノロジーと熱工学の融合分野において,ナノ微細構造が壁面付近での伝熱促進技術の鍵として非常に注目され,多孔質体のナノ構造物が熱伝達率を著しく向上させた実験結果が報告されている.しかし,ナノ微細構造が界面近傍の熱伝導層のエネルギー伝達を変化させる可能性があるとしても,流動抵抗と熱抵抗の両方を同時に抑えることは従来の概念からは考えにくいという疑問が残こる.本研究では,分子動力学法を用いてナノ微細構造による伝熱促進効果のメカニズムを解明することを目的とし,ナノ微細構造を持つ固体壁面を対象とし,界面濡れ性はどのような表面微細構造によって変化するのか,またどのような表面微細構造が抵抗低減及び熱伝達率向上に有効なのかについて調べた.疎水性界面においては流動抵抗が低減され熱抵抗が大きいが,親水性界面では固液ポテンシャル場による数分子層の界面吸着が生じ,熱抵抗が小さくて流動抵抗は大きいことより,固体表面における液体分子の濡れ挙動がナノ構造表面の伝熱の主役と考えられる.その特徴として界面濡れ性(界面近傍のポテンシャル場)がナノ構造の寸法や形状などによって変化し,熱伝達率に影響を及ぼしていることを検証した.また,液滴の接触角は,ナノ微細構造のサイズや形状等によって変化することを確認し,界面における微細構造を制御することによって撥水性を向上できることが分かった.さらに,液滴の接触角度について,従来の理論的記述法との整合性を検討し,界面の分子挙動を考慮した新たな記述法を提案した.

在纳米技术与热工程的融合领域，纳米结构作为近壁传热强化技术的关键而备受关注，实验结果表明多孔纳米结构可以显着提高传热系数，然而，尽管纳米结构可以改变传热系数。由于界面附近导热层中的能量传递，使用传统方法很难同时抑制流阻和热阻。仍然存在一些从概念上难以理解的问题。在本研究中，我们旨在利用分子动力学方法阐明纳米结构的传热促进效应的机制，并重点研究具有纳米结构的固体壁，界面润湿性如何变化。取决于表面微观结构，什么样的表面微观结构能有效降低阻力、提高传热系数。疏水性在界面处，流动阻力减小，热阻大，但在亲水界面处，由于固液势场，发生多个分子层的界面吸附，热阻小，流动阻力大润湿行为被认为是纳米结构表面传热的主要因素，其特征之一是界面润湿性（界面附近的势场）根据纳米结构的尺寸和形状而变化。我们还验证了液滴的接触角会根据纳米结构的尺寸和形状而变化，并且通过控制界面处的微观结构，我们发现可以提高防水性。此外，我们还检查了接触角的一致性。并提出了一种考虑界面分子行为的新描述方法。

项目成果

ナノ微細構造界面における濡れ挙動の分子動力学シミュレーション

纳米结构界面润湿行为的分子动力学模拟

• 发表时间: 2005
• 期刊: 第42回日本伝熱シンポジウム講演論文集 III
• 作者: 長山暁子;杉山誠;鶴田隆治
• 通讯作者: 鶴田隆治

Effects of Nana-Sized Structures on Surface Wettability

纳米尺寸结构对表面润湿性的影响

• 发表时间: 2005
• 期刊: Proceedings of the Fourth International Conference on Computational Heat and Mass Transfer
• 作者: Gyoko Nagayama;Takaharu Tsuruta;Seiichi Sugiyama
• 通讯作者: Seiichi Sugiyama