电火花改性表面池沸腾换热特性

通过电火花成型加工技术在铜基换热表面制备微纳结构改性表面,以自制换热表面性能测试装置进行改性表面的池沸腾换热性能实验。改性表面随加工电流改变而具有不同粗糙度、孔隙率和粗糙度因子,表面接触角范围在117.4°~133.5°。实验结果表明,改性表面的微纳结构提高换热面的池沸腾换热效果,临界热流密度较光滑铜表面提高了26%~87.8%,最大传热系数提高了48.1%~213%。改性表面的传热系数随着粗糙度增大而减小,而临界热流密度则是先增大后减小;孔隙率的增大使得改性表面的传热系数也随之增大,临界热流密度则是随着孔隙率的增大而先增大后减小;临界热流密度随着粗糙度因子的增大而降低,传热系数则是先增大后降低。粗糙度对沸腾换热的强化效果较小,孔隙率和粗糙度因子是强化池沸腾换热的关键,孔隙率和粗糙度因子分别影响了气泡核化密度和实际接触面积,提高了气泡脱离频率,带走更多的热量,但两者间存在互相制约的平衡关系。     

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。     

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。     

局部表面改性紫铜方柱阵列池沸腾传热特性和机理

以局部表面改性的紫铜直方柱和梯度方柱阵列为研究对象,实验研究了表面润湿性、表面形貌和表面活性剂对池沸腾换热性能和气泡生长特性的影响。实验工质为去离子水,浓度分别为100、200、400、800 mg·L-1的异丙醇溶液和正庚醇溶液。实验结果表明:方柱阵列表面镀银之后润湿性变差,表面产生的气泡数量减少。向去离子水中添加异丙醇或正庚醇后,在热通量为66.1～202 kW·m-2时,气泡脱离直径变小、数目减少,而当热通量增至413 kW·m-2时,活性剂能够有效阻碍气泡合并,故池沸腾传热系数随着浓度增加先减小后增大。上下层宽分别0.5 mm和1 mm、间距为2 mm的梯度方柱阵列结构有助于气泡的合并,但由于促进了固体表面气膜的形成,从而降低了沸腾换热性能。     

局部表面改性紫铜方柱阵列池沸腾传热特性和机理

以局部表面改性的紫铜直方柱和梯度方柱阵列为研究对象，实验研究了表面润湿性、表面形貌和表面活性剂对池沸腾换热性能和气泡生长特性的影响。实验工质为去离子水，浓度分别为100、200、400、800 mg·L^-1的异丙醇溶液和正庚醇溶液。实验结果表明：方柱阵列表面镀银之后润湿性变差，表面产生的气泡数量减少。向去离子水中添加异丙醇或正庚醇后，在热通量为66.1～202 kW·m^-2时，气泡脱离直径变小、数目减少，而当热通量增至413 kW·m^-2时，活性剂能够有效阻碍气泡合并，故池沸腾传热系数随着浓度增加先减小后增大。上下层宽分别0.5 mm和1 mm、间距为2 mm的梯度方柱阵列结构有助于气泡的合并，但由于促进了固体表面气膜的形成，从而降低了沸腾换热性能。     

真空条件下浓度对LiCl溶液沸腾特性的影响

沸腾换热是一种高效的换热方式,为研究除湿溶液再生的沸腾换热过程,搭建真空再生沸腾特性测试实验台,对水和质量分数分别为30%、32%、34%的LiCl溶液进行实验研究,得到溶液浓度对溶液沸腾热流密度及沸腾表面传热系数的影响。结果表明,浓度升高,表面张力增大,汽化核心数减少;黏度增大,气泡脱离困难,使扰动量减少,溶液的热流密度降低;随着浓度的增大,表面张力增大,气泡生成及脱离阻力增大,对LiCl溶液的扰动程度降低,使溶液的沸腾传热系数减小。温差增大使壁面过热度增大,气泡生成增多,加强对溶液的扰动,使溶液的热流密度及沸腾传热系数增大。     

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。     

R-113池沸腾气泡行为的可视化及传热机理

利用ITO透明加热膜和高速摄影仪,对制冷工质R-113在压力为0.1 MPa的池沸腾的气泡行为进行了可视化研究.利用高速摄影仪观察得到了不同热通量下气泡的生长、脱离以及相邻气泡之间的合并情况.实验结果表明,随着热通量的升高,气泡的脱离时间减小,而加热壁面的汽化核心密度增大.文中给出了气泡的脱离时间、脱离直径以及汽化核心密度随热通量的变化曲线.在实验过程中,并没有观察到气泡底部的微液层在蒸干过程中有液体补充.最后,利用动态微液层模型对R-113的池沸腾换热曲线进行了预测,并将预测结果和实验结果进行了对比,结果显示,预测结果与实验结果符合较好.     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4 mm,质量流速G=143、300 kg·m^-2·s^-1,主流过冷度ΔT_sub=17、25℃,热通量q=1～20 W·cm^-2的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度N_a,气泡脱离直径D_d,气泡脱离频率f等。     

垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数值分析

在对流动特性和换热机理进行分析的基础上,建立了垂直多孔表面管内高沸点工质强化流动沸腾换热的数学模型和数值计算方法.该模型认为环状流区域同时存在强制对流与核态沸腾两种换热方式.液膜厚度、速度与温度等参数通过求解液膜的质量守恒、动量守恒、能量守恒方程获得.核态沸腾换热则包括气泡脱离带走的热量及用于加热气化核心影响区流入液体的热量两部分.提出了流动沸腾情况下的多孔层气泡脱离直径及气化核心密度计算方法.对异丙苯在火焰喷涂型垂直多孔表面管内向上流动时的沸腾换热进行了数值预测,大部分工况的计算值与实验结果符合良好.在低干度区(x=0.1),核态沸腾在总换热中的比例约为50%.随着干度的增加,核态沸腾受到越来越大的抑制,当x为0.5时,这一比例降低到约15％.     

池沸腾孤立气泡生长过程中微液层蒸发影响的实验和模拟耦合分析

微液层蒸发是沸腾过程中重要的换热机理。本文旨在通过单个气泡池沸腾实验中测得的气泡动态参数探究孤立气泡生长过程中加热表面的换热机理。首先通过沸腾池和加热表面的严格设计实现了单个气泡沸腾。进一步通过对孤立气泡生长时序图像的处理,得到了气泡在一个生长周期内气泡直径、纵横比以及气泡根部基圆半径的变化。对比发现,气泡生长速率与气泡根部基圆半径随时间的变化呈现显著正相关,而与大液层区域的变化相关程度较低,这表明微液层蒸发直接影响气泡体积变化,在孤立气泡沸腾过程中起主导作用。在此基础上进一步建立了加热表面换热过程的数值模型,基于实验中测得的气泡动态参数对气泡底层的微液层厚度进行了预测;通过多次迭代计算并匹配气泡生长速率和加热棒的温度发现,当表面过热度为4.82 K时,气泡底层微液层厚度约为3.43 μm,与相关文献中的微液层厚度测量值基本一致,进一步证实了微液层蒸发在孤立气泡沸腾换热过程中的重要性。本研究揭示了孤立气泡池沸腾过程中近壁面处的换热机制,为进一步的孤立气泡沸腾传热过程数值模拟奠定了理论基础。     

不同宽度窄缝通道过冷沸腾

以去离子水为实验工质,在窄缝宽度δ=3、4mm,质量流速G=143、300kg·m~(-2)·s~(-1),主流过冷度ΔTsub=17、25℃,热通量q=1~20 W·cm~(-2)的参数范围内,对常压下竖直窄缝通道内向上流动过冷沸腾的换热规律进行了实验研究。对不同宽度窄缝通道内的同一区域过冷沸腾气泡演变过程进行了可视化实验分析,发现窄缝宽度因素对过冷流动沸腾的流动换热特性和壁面核化特性影响显著,其中包括沸腾起始点ONB,压降ΔP,传热系数h,汽化核心密度Na,气泡脱离直径Dd,气泡脱离频率f等。     

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。     

表面微结构对阵列微射流沸腾换热的影响

与单相射流相比,阵列式微射流沸腾换热耦合了分布式射流与气液相变两种高效传热模式,在高热通量电子器件冷却领域具有重要的应用前景。本文创新性提出一种具有顶部浸入式阵列射流柱与底部微针肋阵列结构耦合的微射流沸腾换热系统,采用无水乙醇为工质,研究了入口过冷度、入口Re、热通量对射流沸腾换热影响特性;采用电刷镀制备了镍/石墨烯微纳复合结构,研究了该复合结构对微针肋阵列表面射流沸腾换热的影响规律,揭示了镍过渡层引入的附加热阻以及蘑菇状微纳复合结构对气泡脱离的抑制是换热削弱的主要原因。为克服上述弊端,采用激光对镍/石墨烯微纳复合结构表面进行了刻蚀,发现激光刻蚀消除了镍/石墨烯微纳复合结构导致的附加热阻及其气泡脱离抑制效应,其最大传热系数达到30787.0W/(m2·K),较镍/石墨烯微纳复合结构表面和针肋阵列光滑表面传热系数分别提高了140.7%和119.8%。本文的研究结果表明,微纳复合结构对沸腾换热的影响取决于制备工艺及其结构形貌,激光刻蚀较电刷镀形成的微纳复合结构在微射流沸腾换热强化方面更具优势,为表面微纳结构强化沸腾换热系统设计、制备和运行提供科学参考。     

高压高过冷度下过冷流动沸腾数值模拟

采用双流体模型对高压高过冷度下垂直圆管中水的过冷流动沸腾进行了数值模拟。通过对比不同气泡直径模型,揭示了气泡直径对于壁面传热方式的影响,确定了适合高压工况的气泡直径模型。考察了压力及壁面热通量对流动及传热特性的影响。计算结果表明,压力增加气泡脱离直径减小,单相对流传热所占比例增加,表面传热系数减小。高压高过冷度特征决定了气泡相分布极不均匀,随着热通量的增加,壁面附近容易形成气泡的密集,对过冷流动沸腾中的传热特性有重要影响。     

制冷剂/油在泡沫金属加热表面池沸腾换热特性

实验研究了制冷剂/润滑油混合物在泡沫金属加热表面核态池沸腾的换热特性,分析了润滑油浓度和泡沫金属结构对池沸腾换热特性的影响。实验使用3种结构参数的泡沫金属作为加热表面,其参数分别为10 ppi/90%孔隙率、10 ppi/95%孔隙率和30 ppi/98%孔隙率,厚度均为5 mm。实验使用的制冷剂为R113,润滑油为VG68,润滑油浓度为0～5%。实验结果表明：泡沫金属的存在极大提高了制冷剂/油混合物的池沸腾传热系数,最多提高1.6倍;润滑油的存在恶化制冷剂在泡沫金属加热表面池沸腾的换热特性,传热系数最多降低相似文献   

过冷度对低液位池沸腾影响的实验研究

以铜片为基板,采用两步电镀法制备出具有超疏水和疏水特性的微纳结构A、B 2个表面,与常规铜表面一并应用于低液位过冷池沸腾,过冷度分别保持在0、20℃和40℃。实验结果表明,与饱和沸腾不同,液位降低并未明显提高沸腾传热系数,3个表面的传热系数在40℃过冷度情况下还出现了降低的情况。主要原因是过冷情况下液位降低虽然会形成超大气泡,在高功率时抑制气泡脱离或在低功率时增加气泡扰动,同时导致流体的温度梯度减小、单相对流换热效果减弱,致使沸腾传热系数降低。受超疏水润湿性和较大汽化核心密度的影响,液位降低时A表面饱和沸腾传热系数提升效果最佳,过冷沸腾传热系数也未严重恶化。     

i影响换热器用多孔表面管沸腾换热的主要因素

综述了换热器用多孔表面管沸腾传热的各种影响因素,既介绍了如孔穴直径、多孔层厚度及孔隙率等多孔层的特征参数的特性;也介绍了材料物性、加工工艺、工质物性、压力与温度等对沸腾传热的影响。同时对各种因素对沸腾换热的具体影响进行了分析归纳,对今后多孔表面强化沸腾传热的研究提出了一些自己的建议。     

影响换热器用多孔表面管沸腾换热的主要因素

综述了换热器用多孔表面管沸腾传热的各种影响因素,既介绍了如孔穴直径、多孔层厚度及孔隙率等多孔层的特征参数的特性;也介绍了材料物性、加工工艺、工质物性、压力与温度等对沸腾传热的影响.同时对各种因素对沸腾换热的具体影响进行了分析归纳,对今后多孔表面强化沸腾传热的研究提出了一些自己的建议.     

单晶硅表面池沸腾可视化测量及数据分析

针对核态沸腾过程,利用高速摄像机和红外热成像设备对光滑、微坑、均匀微柱和槽型微柱四种不同单晶硅表面的沸腾现象进行了在线可视观测,获得了各表面气泡动力学演变过程及局部温度演变规律,揭露了基于动力学过程的沸腾强化机理。由沸腾曲线可知,光滑硅表面,沸腾起始过热度为6℃,而三种微结构表面,起沸过热度为3～4℃;同时,微坑、槽型微柱和均匀微柱表面核态沸腾的CHF较光滑表面分别提高了109%、129%和140%。动力学演变过程则证明了微坑的存在为核化沸腾提供了核化点,有效降低了核化能垒、缩短了壁面蓄能阶段的时长。微柱的存在大幅度增加了气泡核化密度,减小了脱离直径,缩短了脱离时间,促进了沸腾表面温度的均匀化。