梯度结构多孔表面强化沸腾及其在相变器件中的应用

表面微/纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点.很多基于表面微/纳加工技术的梯度结构多孔表面也展现出了良好的强化沸腾能力,但不同的梯度结构多孔表面对沸腾传热的影响目前尚缺少系统性的研究.本文从几何尺寸梯度和润湿性梯度两个方面回顾了梯度结构多孔表面的沸腾强化进展以及对应的相变器件研究.几何尺寸梯度结构表面可分为单层几何梯度结构多孔表面、多层几何梯度结构多孔表面、覆盖微/纳米层的梯度结构多孔表面以及径向梯度孔径多孔表面.除几何尺寸上的梯度结构对强化沸腾有明显效果,润湿性梯度的改变也被证明可以大大提高沸腾换热效果.由于梯度结构多孔表面优异的沸腾传热性能,其在相变器件(如环路热管、平板热管等)方面得到了广泛应用,并有效提升了器件的传热性能.本文总结了部分梯度结构多孔表面在强化沸腾传热及提高相变器件性能方面的共同点,为后续的进一步研究奠定了基础.但是梯度结构多孔表面还有进一步优化的空间,对梯度结构多孔表面的进一步研究将有助于得到更高效的沸腾换热表面和相变传热器件.     

多孔介质突破特性的尺度效应

流本渗流通过湿饱和多孔层的突破现象,在多孔介质传热传质中具有普遍性。突破压力是反映流体渗流通过多孔介质固有特性的特征压力。用实验方法测定了湿饱和窄筛分散沙的突破压力,得到了突破压力随多孔层厚度变化的关系曲线。实验与分析表明：对于足够厚的颗粒堆积层,突破压力与厚度无关。而当多孔层的厚度减小至某个临界厚度之后,突破压力将随厚度的减小而迅速降低,其变化遵循统一的标度律。     

核态池沸腾传热现象中的重力标度规律

沸腾过程极强的热传递能力使其在地面常重力环境和空间微重力环境都有着广泛应用.重力是影响沸腾传热性能的重要因素,关于重力影响规律的研究对相关空间应用具有重要意义.本文回顾了有关核态池沸腾传热重力标度规律的研究现状和进展,特别对基于地基短时失重飞机准稳态沸腾实验结果提出的Raj-Kim-McQuillen重力标度律模型(RKM模型)进行了详细评述,讨论了其中关于核态池沸腾曲线起、止端点(沸腾起始点和临界热流点)及其渐近性能的基本假设和隐含假设.通过与经验知识(包括实验观测数据和数值模拟结果)比较,明确了RKM模型的贡献与不足,建议了进一步的低重力实验和深入系统的数值模拟等,以推进该领域研究深入开展.     

短时间微重力池沸腾换热及其临界热流密度机理

研究了复合柱状微结构表面(PF30-60LP)在短时间微重力下的池沸腾传热性能,并与文献中的光滑表面和柱状微结构表面(PF30-60和PF50-120)进行对比.实验结果表明,微重力条件下, PF30-60PL的临界热流密度(critical heat flux, CHF)与光滑表面相比虽有提高,但却明显低于PF30-60和PF50-120,与常重力下所得实验结果存在明显差异.微重力条件下,由于浮力缺失,覆盖于加热表面的大气泡脱离周期远大于常重力条件.大气泡覆盖于表面时间过长,导致新鲜液体补给困难是造成微重力CHF显著降低的主要原因. PF30-60和PF50-120具备非常强的毛细芯吸作用,可显著提高加热面的侧向补液能力,因此其微重力下的CHF相比于光滑表面得到了十分显著的提高.而PF30-60PL由于较大面积光滑通道的存在,表面的毛细芯吸作用被削弱,因此其CHF介于光滑表面和柱状微结构表面之间.提高微重力池沸腾CHF,关键在于提高覆盖于加热面的大气泡的脱离频率和液体对加热表面的补给能力.可行的方法有降低液体工质表面张力或提高表面对液体的毛细芯吸性,通过外部施加电场或声场加速气泡脱离...     

微气流作用下多孔表面液滴动态润湿行为

基于对附加动量力场调控液滴润湿行为特性的创新性思考,通过可视化实验,利用多孔材料表面配合辅助微气流作用的形式,探索了液滴在多孔材料表面的动态润湿行为特性,鉴别了微气流作用下液滴在多孔材料表面的3种不同动态润湿模式,发现了液滴在微气流作用下的类超疏水悬浮状态.在此基础上,针对具有典型意义的液滴完整浸润模式,结合对多孔材料表面液滴受力模式与受力机理的分析,探讨了不同微气流条件下液滴表观接触角、体积以及底部润湿面积等动态润湿参数与润湿时间之间的依变规律.     

纳米颗粒表面活性剂对多孔介质中黏性指进现象的抑制

多孔介质中不稳定的两相驱替会导致黏性指进现象,对实际工业中的两相流动过程产生不利影响.已有文献证明水相中的表面功能化纳米颗粒和油相中的功能化基团聚合物可以在油水界面发生反应生成纳米颗粒表面活性剂,降低界面张力并诱发界面黏弹性.本文提出使用纳米颗粒表面活性剂抑制多孔介质中黏性指进的新方法,通过微流体可视化实验,研究了纳米颗粒表面活性剂对多孔介质中驱替界面特性的影响规律.结果表明,纳米颗粒表面活性剂可以有效抑制多孔介质中的黏性指进现象,驱替效率对比纯水纯油提高了约2.5倍.通过分析基于不同毛细数与黏度比下的驱替模式分布相图,得到了多孔介质中纳米颗粒表面活性剂稳定驱替和黏性指进两种驱替模式的转变界限,证明纳米颗粒表面活性剂驱替对比纯水纯油大幅提高了黏性指进出现的临界毛细数和黏度比,在不同的参数范围内对黏性指进都有显著的抑制作用,为多孔介质中黏性指进的抑制提供了新的思路.