多孔泡沫吸气板调控沸腾气泡动力学实验研究

利用不同的改性方法对多孔泡沫铜表面进行浸润性改性处理,并制备了一系列具有不同疏水性的吸气板,系统研究了悬挂吸气板对沸腾单气泡生长、脱离阶段的影响。结果表明,不同吸气高度和吸气浸润性均对沸腾气泡动力学特性具有重要影响。当吸气高度小于气泡最大生长高度时,吸气板可实现强制气泡脱离并有效减小气泡最大脱离直径。当吸气板表面浸润角为150°时,吸气效果最佳,最短可将脱离阶段缩短至3 ms,最大瞬时吸气速率可达5.46 mm³/ms,为浸润角是100°吸气板吸气速率的3.96倍。耦合控制吸气板的吸气高度、浸润性和换热表面的微结构可共同实现对气泡生长阶段的提前干预和对脱离阶段的强制促进,真正实现沸腾动力学的全程强化。     

时空调控微柱表面浸润性强化单气泡沸腾换热

微结构耦合浸润性调控是目前强化核态沸腾换热的主要手段,针对水工质在单晶硅微柱表面的核态沸腾过程,采用CFD-VOF三维数值模拟方法,对比研究时间及空间分别调控表面浸润性对沸腾气泡动力学、相界面形变及传热性能的影响。结果表明：亲水性增强使得气泡界面曲率增大、合力增强,促使气泡的脱离;空间调控主要表现为增大气泡体积,时间调控则主要表现为优化气泡动力学过程,提高热流较大的生长阶段在整个气泡周期内的占比,从而强化换热;本实验工况下,空间梯度浸润表面以及在生长阶段提高壁面亲水性,均可大幅度提高单气泡沸腾换热性能,平均热流最大可提高42.7%;考虑微尺度下梯度浸润性加工难度,时间调控浸润性强化沸腾换热具有更好的发展前景。     

微柱结构表面核态沸腾单气泡的数值模拟

利用计算流体力学方法（computational fluid dynamics, CFD）对三维均匀微柱结构表面单气泡核态沸腾过程进行数值模拟研究,使用VOF模型（volume of fluid model, VOF）在界面网格追踪加密的条件下精确捕捉气液界面,同时考虑气液界面和微层处的蒸发,准确获得三维微柱表面单气泡核态沸腾过程中的气泡动力学、温度演化和蒸发换热性能。结果表明,气泡脱离时间为1.79ms,体现了微柱结构促进气泡脱离的强化作用。通过气泡横向和纵向直径的变化准确表征了气泡在脱离过程中的变形过程,并模拟得到该过程流场热边界层及壁面温度的演变规律。同时,通过微层蒸发和气液交界面蒸发功率随时间变化的监测,指出气泡生长过程微层蒸发量占总蒸发量的52%;t=0.95ms后微层蒸发消失,气液界面蒸发维持相对稳定值（0.1~0.2W）直至气泡脱离。蒸发换热特性耦合气泡与壁面接触情况随时间的变化,揭示了单气泡核态沸腾过程蒸发换热机理的阶段性特征及时间分区,为在核态沸腾单个气泡生长脱离过程中更准确划分时间阶段、建立沸腾换热模型奠定基础,提供了参考。     

常/微重力下微结构表面强化沸腾换热研究进展

表面改性是提高沸腾换热性能的重要手段。本文以自主开发的微结构表面为基础，简述了近三年来常重力条件下的微/纳结构表面强化池沸腾换热、临界热流密度预测模型及经验关联、微重力条件下（重力水平为10^-2～10^-3 g ₀，g ₀=9.8m/s²）加热面尺寸对沸腾换热的影响和气泡动力学等方面的研究进展。对柱状微结构参数和排布方式进行优化后的多尺度复合微结构表面相比柱状微结构表面和光滑表面，其壁面温度可分别降低8K和30K以上，而临界热流密度（CHF）则分别提高了28%和119%以上。体积分数为0.02%的乙醇/银纳米流体相对于单纯的乙醇工质，相同条件下换热壁面温度可降低8～15K，而机械作用对CHF约有25%的提高。通过对柱状微结构的几何参数以及临界发生时的供液机理研究，建立了考虑柱状微结构参数的CHF关联式、微/纳结构表面考虑液体毛细芯吸作用的CHF预测模型以及考虑液体铺展速度的CHF预测关联式。根据微重力下加热面尺寸对沸腾的影响的研究，提出了基于恒定热流密度的换热预测关联式。考虑微重力条件下主气泡和小气泡的表面张力，对传统的气泡脱离直径预测的力平衡模型进行了改进，进一步提高了微重力下气泡的脱离半径的预测精度。此外，对近年来以FC-72为工质的其他强化池沸腾换热微结构表面的研究成果进行了总结，并与自主研发的微结构表面换热性能进行了对比与分析，为今后的研究方向和应用指出了方向。     

多孔壁面微通道换热性能的实验研究

微通道散热器作为一种高效散热器件,广泛应用于微电子、光电、汽车、航天国防、能源等领域。针对传统光滑微通道传热面积小、换热性能偏低、沸腾迟滞等问题,本文提出一种多孔壁面微通道结构,并采用激光直写方法实现微通道多孔壁面的高效、稳定生成。该多孔壁面微通道显著增大了换热面积、促进流体的扰动、提供大量稳定沸腾核心,从而强化单相与两相沸腾传热。通过搭建微通道换热性能测试系统,测试对比了多孔壁面微通道与光滑微通道的单相对流、两相沸腾传热性能。发现多孔壁面微通道的Nu数相对于光滑微通道提升了21%~31%。在两相沸腾换热过程中,其粗糙多孔结构促进了沸腾气泡成核,其核态沸腾起始温度相比于光滑微通道降低了35%。同时粗糙多孔结构可以保证沸腾过程中的液体持续供给,从而大幅提升了沸腾换热能力,避免了干涸现象的提前发生,其两相沸腾换热系数相对于未处理的光滑微通道最大提升了83%。此外,还开展了不同流量下多孔壁面微通道的沸腾传热性能测试,发现在质量流率为G=500kg/(m²·s)下的沸腾换热系数相对于G=200kg/(m²·s)情况下最大提升了30%。     

微通道壁面浸润性对气-液两相流的影响规律研究

通道壁面浸润性对微通道内的气-液两相流具有重要影响。利用等离子体辅助接枝改性,将甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）及1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷接枝在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料表面,得到了10°、40°、70°和110°四种接触角的微通道,并考察了浸润性对流型、气泡长度和压降的影响。结果表明,随接触角增大,气泡截断位置下移,膨胀阶段缩短,挤压阶段变长;低流量时,气泡长度随接触角增加而增大,高流量时则减小;建立了与材料表面水接触角相关的气泡尺寸预测关联式,与Garstecki经典预测关联式相比,预测精度更高;θ<90°时,接触角增加,压降减小;θ>90°时,三相接触线使流动阻力和压降增加。     

非均匀润湿性微通道表面池沸腾换热特性

采用高温热氧化与表面改性技术并结合电火花线切割工艺在紫铜表面制备了3类非均匀润湿性微通道表面,微通道顶部接触角分别为8.6°、88.1°、156.1°,通道内部接触角为113.2°。经饱和池沸腾试验表明,具有超亲水性顶部(θ=8.6°)和超疏水顶部(θ=156.1°)的微通道表面临界热通量分别较紫铜表面(θ=88.1°)提高了61%和35%,最大传热系数分别提高了2.3倍和6倍。气泡动力学可视化研究表明:非均匀润湿结构能够显著抑制气泡的合并与团聚,使得气泡之间存在的间隙成为液体补充路径,这是临界热通量提高的主要机理。     

两种烧结通道的沸腾传热和阻力特性对比

多孔材料对沸腾换热的强化是能源化工领域的重要主题。本文针对两种不同的烧结结构——并联微通道和扁平通道（仅有烧结底层）,以去离子水为工质,进行了过冷流动沸腾换热实验对比研究。研究发现：并联微通道的传热系数和临界热流密度远高于扁平通道,这和并联微通道优异的毛细供液性能相关。底厚粒径比对并联微通道的沸腾换热性能影响较大,过大的底厚粒径比会造成换热性能的下降。质量通量对小粒径样品的沸腾曲线和换热性能均影响较大,对大粒径（d=120μm）样品的沸腾曲线影响较小。烧结并联微通道的平均压降大于扁平通道。相同底厚下,平均压降随着微通道粒径的增大而增大。可视化观察表明：两种通道在中高热流密度流型不同,其主要相变机制均为薄液膜蒸发模式。     

润湿性对微纳复合结构表面池沸腾换热的影响

为揭示润湿性对微纳复合结构表面池沸腾传热的影响,采用电刷镀工艺和表面改性技术在紫铜表面制备了接触角分别为6.5°和148.6°的超亲水性和超疏水性微纳复合结构,通过实验对比研究了不同表面的饱和池沸腾传热特性,结果表明:(1)超亲水性和超疏水性微纳复合结构的最大换热系数较光表面分别提高了3倍和1.5倍;(2)在q580k W×m~(-2)的低热流密度区,超疏水性微纳复合结构的换热系数最大;当q580 k W×m~(-2)时,超亲水性微纳复合结构的传热性能开始优于超疏水性微纳复合结构;(3)超亲水性微纳复合结构表面的临界热流密度较光表面和超疏水性微纳复合结构分别提高了110%与60%;微纳复合结构显著增加了受热表面的气泡核化密度,而亲水性微纳复合结构的毛细吸液能力要显著强于疏水性微纳复合结构,是临界热流密度增大的主要机理。     

多孔结构及表面浸润性对池沸腾传热影响的研究进展

沸腾传热是一种高效换热方式,在多种领域具有广泛应用前景。其中多孔金属表面由于其比表面积大、导热性能好以及汽化核心密度高等突出优点,受到广泛关注;而多孔表面、耦合表面、亲疏水改性能极大地提高临界热流密度,调控沸腾传热,变无序为可控,正迅速成为强化沸腾相变传热领域的新热点。本文追踪了多孔表面和表面改性强化沸腾传热的最新进展,重点介绍多孔尺度、形状、核化点布局及整体/局部亲疏水性强化沸腾性能及机理;简要分析了以Zuber临界热流密度公式为基础的Kandlikar系列公式;整理近年来不断完善和改进的沸腾传热机理模型,认为微液层蒸发和瞬态热传导是微纳多孔表面强化沸腾的主导机制;进一步指出微纳多孔表面耦合、局部亲疏水性处理是强化沸腾传热新的发展方向。     

Infrared thermometry study of nanofluid pool boiling phenomena

Infrared thermometry was used to obtain first-of-a-kind, time- and space-resolved data for pool boiling phenomena in water-based nanofluids with diamond and silica nanoparticles at low concentration (<0.1 vol.%). In addition to macroscopic parameters like the average heat transfer coefficient and critical heat flux [CHF] value, more fundamental parameters such as the bubble departure diameter and frequency, growth and wait times, and nucleation site density [NSD] were directly measured for a thin, resistively heated, indium-tin-oxide surface deposited onto a sapphire substrate. Consistent with other nanofluid studies, the nanoparticles caused deterioration in the nucleate boiling heat transfer (by as much as 50%) and an increase in the CHF (by as much as 100%). The bubble departure frequency and NSD were found to be lower in nanofluids compared with water for the same wall superheat. Furthermore, it was found that a porous layer of nanoparticles built up on the heater surface during nucleate boiling, which improved surface wettability compared with the water-boiled surfaces. Using the prevalent nucleate boiling models, it was possible to correlate this improved surface wettability to the experimentally observed reductions in the bubble departure frequency, NSD, and ultimately to the deterioration in the nucleate boiling heat transfer and the CHF enhancement.     

全氟烷基表面活性剂强化池沸腾换热

针对不同浓度的全氟烷基碘化物（Le-134）水溶液进行了核态池沸腾换热实验研究。首先对Le-134的界面吸附特性及在紫铜表面的润湿性进行了研究。结果表明，其静态表面张力随浓度增大而减小，动态表面张力下降速度随浓度增加而加快，在超过临界胶束浓度（critical micelle concentration，CMC）的较高浓度下（≥40mg/L），10s以内溶液表面张力即降低到20mN/m以下。Le-134水溶液在紫铜表面接触角随浓度增加而减小，在300mg/L时接触角仅为21°，具有良好的润湿性。沸腾过程与去离子水相比，Le-134水溶液产生的汽泡数量明显增多，汽泡尺寸减小，汽泡合并现象减少。结果表明，Le-134的添加可以有效强化池沸腾换热，同热流密度下随浓度增大强化效果越显著；同浓度下，随热流密度增大强化效果有所减弱。在10W/cm²下，300mg/L的Le-134相对去离子水工况强化效果最明显，沸腾表面过热度减少49.3%，沸腾换热系数增加109.1%。     

壁面润湿性对微细通道内R141b流动沸腾不稳定性的影响

为了探究壁面润湿性对制冷剂R141b流动沸腾不稳定性的影响，设计微细通道流动沸腾实验平台，制备3种不同润湿性的矩形微细通道，其壁面接触角分别为62.3°、接近0°和158.7°。以R141b为实验工质，在截面宽×高为1mm×2mm的矩形微细通道内进行流动沸腾换热实验，研究了沿程测点压力波动情况以及影响进出口总压降波动的因素，最后对总压降波动信号进行Hurst指数分析，结果表明：微细通道沿程测点波动方差最大的位置正处于沸腾起始点（ONB）附近，热流密度的减小以及质量通量的增大均会使沸腾起始点推后；进出口总压降波动受热流密度、质量通量和壁面润湿性的影响，相同工况下，热流密度增大和质量通量的减小都会引起系统不稳定性增强，超疏水表面微细通道的总压降波动方差均比其他两种表面的大，是波动方差最小的超亲水表面的1.35～1.84倍；利用Hurst指数分析，表明系统具有混沌现象，超疏水表面微细通道的Hurst指数最大，表现出更强烈的不稳定性。     

壁面润湿性对微通道内Taylor流动特性的影响

壁面润湿性不仅影响着Taylor气泡的形状,同时对通道内流体流动、相变换热等有着关键的作用。采用VOF模型对T型微通道内气液两相Taylor流动进行三维数值模拟,重点研究了接触角改变对Taylor气泡流体动力学特性的影响。模拟结果与他人实验数据对比基本吻合,验证了模型的有效性。结果表明：随着接触角增大,气泡周围液含量逐渐降低,相界面也由外凸形变为内凹形。壁面越接近润湿（或疏水）状态,气液接触面的曲率就越大;当120°≤θ≤150°时Taylor气泡稳定性变差。当θ≥150°时“拖曳流态”出现,分析指出在大接触角下气体更易贴附壁面导致接触区内流场发生变化,形成的涡流减弱了水对气相的水平剪切作用,进而引起流型转变。接触角对通道内压力有着重要影响,通道中心轴向压力曲线以θ=90°为过渡,润湿状态下呈凸函数递减且p _G>p _L,疏水状态下气液进口处的压力分配改变,曲线趋势相反。     

微纳复合表面HFE-7100/水的BRT现象及沸腾传热特性

HFE-7100/水作为非共沸不互溶工质可以拓宽核状沸腾传热的有效温区,目前关于其在微纳复合表面的沸腾传热特性和气泡运动机理尚不明晰。利用气泡模板电沉积法在铜基表面上制备了具有微纳孔洞的复合结构,测试了HFE-7100/水的沸腾传热特性,并通过可视化探究了沸腾工质转换（BRT）过程中两相工质在表面的润湿状态和气泡运动现象。结果表明,微纳复合表面上HFE-7100/水的BRT过程中,气泡先后经历小气泡聚并、气膜膨胀、轻工质接触壁面核化三个过程。在BRT过程中,HFE-7100与水对热壁面的润湿性存在竞争关系,随着过热度增加,薄的HFE-7100液层难以维持稳定的重工质沸腾,上层水工质可以穿过HFE-7100层对热壁面实现完全润湿,完成BRT过程。与单一工质相比,常压下HFE-7100/水混合工质体系可以在343~423 K下实现高效的核状沸腾传热。该研究揭示了HFE-7100/水在微纳复合表面的沸腾传热特性,为沸腾强化表面设计提供了思路。     

Micro-nano hybrid structures with manipulated wettability using a two-step silicon etching on a large area

Nanoscale surface manipulation technique to control the surface roughness and the wettability is a challenging field for performance enhancement in boiling heat transfer. In this study, micro-nano hybrid structures (MNHS) with hierarchical geometries that lead to maximizing of surface area, roughness, and wettability are developed for the boiling applications. MNHS structures consist of micropillars or microcavities along with nanowires having the length to diameter ratio of about 100:1. MNHS is fabricated by a two-step silicon etching process, which are dry etching for micropattern and electroless silicon wet etching for nanowire synthesis. The fabrication process is readily capable of producing MNHS covering a wafer-scale area. By controlling the removal of polymeric passivation layers deposited during silicon dry etching (Bosch process), we can control the geometries for the hierarchical structure with or without the thin hydrophobic barriers that affect surface wettability. MNHS without sidewalls exhibit superhydrophilic behavior with a contact angle under 10°, whereas those with sidewalls preserved by the passivation layer display more hydrophobic characteristics with a contact angle near 60°.