柱状微结构表面强化沸腾换热研究综述

沸腾换热是一种非常高效的热传递方式,不论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用。强化表面结构是一种有效的无源强化换热技术,而强制对流和射流冲击作为高效的直接冷却方式,在有源强化换热技术中被认为是最有发展前景的冷却方式。结合无源强化换热技术和有源强化换热技术同时进行强化沸腾换热是进一步提高换热能力的有效途径。以电子器件高效冷却技术为背景,对自主开发的微米级柱状微结构表面强化沸腾换热研究现状进行了综述,包括常重力条件下池沸腾、流动沸腾、射流冲击、流动-喷射复合式沸腾换热以及微重力条件下的池沸腾换热。同时,与其他强化沸腾换热表面结构进行了对比,总结并分析了各种强化表面结构及换热方式的优缺点,为下一步的学术研究和工业应用提供相应的参考。     

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。     

梯形微槽道表面池沸腾换热性能研究

池沸腾换热表面的结构对其沸腾换热性能具有重要影响。为了进一步强化在较低表面过热度时池沸腾换热的性能,提出了新型梯形微槽道池沸腾换热表面,采用可视化实验方法研究了饱和温度下去离子水在该表面的池沸腾换热性能。结果表明：与光滑平面相比,梯形微槽道表面可以降低起始沸腾表面过热度;在相同表面过热度时,随着下底长度的增大、下底角角度的减小,梯形微槽道表面的热通量增加,换热能力增强。下底长度为1.2 mm、下底角度为45°的梯形微槽道表面具有最低的起始沸腾表面过热度（1.4 K）;在表面过热度为8.3 K时,其热通量能达到1.2×10⁶ W·m^-2,为相同表面过热度时光滑表面的24.0倍。较大的下底长度和较小的下底角角度有利于增强梯形微槽道表面的池沸腾换热性能。     

朝下沟槽结构表面池沸腾换热

核电站熔融物堆内滞留技术是一项关键的严重事故应对策略,该策略已被核电站广泛采用。为增强核电站压力容器下封头外表面的沸腾换热能力,实验研究了常压下朝下沟槽结构表面的池沸腾换热,测量了倾角5°、30°、45°、60°和90°下热通量随壁面过热度的变化,获得了相应倾角下的临界热通量（CHF）。与光表面相比,朝下沟槽结构表面的CHF可提高65%～90%。实验观察发现,在高热通量下朝下沟槽结构表面气泡运动形态存在蒸汽膜和波浪蒸汽层两种结构。分析表明,沸腾换热显著增强、临界热通量大幅提高的原因是沟槽结构大幅增加了换热面积同时还明显改善了表面的润湿性。     

肋化结构对两相受限式阵列射流冷却的影响

为了利用两相沸腾换热提高阵列射流冷却热沉性能,使其可以用于更高热流密度散热场景,基于肋化结构对相变换热的促进作用,本文提出了两种复合不同肋化表面的受限式阵列射流冷却热沉结构,并对优化后的热沉的传热、流动特性展开了相关实验研究。两种肋化表面结构分别为：光滑切割针肋（SL1）、外覆烧结多孔层的粗糙针肋（SL2）,针肋尺寸均为0.6mm×0.6mm×1mm（长×宽×高）,SL2中多孔层颗粒粒径为120~150μm,厚度约为2倍颗粒直径。分布式阵列射流孔板构成5×5的射流单元,每个单元对应4×4针肋阵列,热源总面积30mm×30mm,针肋共计400个。实验使用无水乙醇为工质,得到了热沉在工质流量2.6~12.7mL/s、入口温度283~313K范围时的沸腾曲线和传热曲线。结果表明,两种针肋结构均可以有效实现单相强迫对流换热向两相沸腾换热的转变;增加入口温度或降低工质流量均可以有效地促进相变的发生。在相同工质流量、温度时,SL1较SL2具有更优的单相换热性能,随着加热热流密度的增加,SL2可以在更低壁面过热度下达到沸腾起始点实现过冷沸腾,表现出更佳的传热特性,但SL1可以达到更高的临界热流密度。     

疏水表面沸腾气泡底部微液层生长特性

将激光干涉法和高速摄像技术相结合,研究了疏水ITO加热表面生成的单个乙醇气泡的动态特性,观测研究了其底部的微液层,并与之前的亲水加热表面的气泡生长脱离过程进行对比分析。本实验同时使用两台高速摄像机：一台记录气泡底部微液层干涉条纹,另一台从侧面同步记录单个气泡的生长和脱离图像。通过对这些图像逐帧比较,并与亲水表面的气泡生长过程对比后,发现疏水表面气泡的生长周期没有等待期,且脱离期时间远大于生长期,气泡底部的微液层存在形态不稳定,气泡在生长和脱离过程中会发生随机滑移现象。     

光固化微压印制作微结构阵列成型工艺

研究了一种光固化微压印制作微结构阵列的工艺。常温下,在自制的模板上涂覆自主研制的专用液态光敏材料,用自主研制的光固化微压印设备进行压印,同时通过紫外光照射固化成型,制备出两种表面微结构阵列—六棱柱形微结构阵列和圆柱形微结构阵列,并对所制备的微结构阵列进行了检验。结果表明:光固化微压印制备的微结构单元具有良好的一致性,微结构阵列复制度高、完整性好。该成型工艺具有高效率、低成本、绿色环保的优势,并且能够满足微结构阵列批量化生产的要求。     

石墨烯/镍复合微结构表面的池沸腾传热特性

采用电刷镀和表面改性技术,在紫铜表面制备了纯镍微结构（TS1）、亲水性石墨烯/镍复合微结构（TS2）以及疏水性石墨烯/镍复合微结构（TS3）。采用扫描电镜和接触角测量仪分别对三类微结构的表面形貌和润湿性进行了表征;以去离子水为工质,对三类微结构表面的池沸腾传热特性进行了实验研究,发现含有石墨烯的TS2和TS3较TS1的沸腾传热性能均显著改善,其中,TS3具有最大的传热系数和最高的临界热流密度,与TS1相比,其最大传热系数和临界热流密度分别提高了135%和97%。分析表明,TS3具有复杂三维堆叠微结构,疏水性微结构减小了气泡成核的活化能,增加了核化密度,是传热系数提高的主要因素,同时,三维堆叠微结构增加了受热表面的毛细吸液再润湿能力,是临界热流密度提高的主要机理。     

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。     

Ni/Ag微纳结构强化顶部连通型微通道沸腾换热

微通道换热器较大的比表面积使其具有较高的热质传输效率,在化工、能源等领域具有广泛的应用前景。针对微通道流动沸腾换热强化,本文设计了一种具有Ni/Ag微纳复合结构表面的顶部连通型微通道换热器,该顶部连通型微通道由11条并联微通道组成,微通道的截面为400μm×400μm的正方形,并联通道上方连通空间的高度也为400μm;采用电刷镀技术在顶部连通型微通道表面制备了Ni/Ag微纳米复合结构,以无水乙醇为工质,开展了普通并联微通道（regular microchannel, RMC）、顶部连通型微通道（top-connected microchannel,TCMC）以及具有微纳复合结构表面的顶部连通型微通道（TCMC-Ni/Ag）内流动沸腾换热对比实验研究。结果表明：TCMC-Ni/Ag表面的最大局部换热系数达179.84kW/(m²·K),较RMC的最大局部换热系数提高了4.1倍。可视化研究发现,对于TCMC-Ni/Ag,强亲水性的微纳复合结构表面同时提高了核化密度和核化频率,中低热流条件下形成气相汇聚于顶部连通区域,微通道表面仍然产生大量气泡的流型结构,在高热流密度条件下,强亲水性微纳复合结构的毛细吸液作用使得通道内产生了薄液膜对流蒸发换热模式,是其换热性能大幅提高的主要机理。     

液体阵列射流冲击冷板工质与传热结构研究进展

液体阵列射流冲击冷却是解决高热流密度散热问题的最有效技术之一,能够有效地对目标表面进行散热,具有散热能力高、能效比高和噪声低的优点,在散热方面具有巨大优势。本文简述了国内外对阵列射流冲击的研究进展,从换热工质和射流冲击冷板的换热结构两个方面,指出了其对液体阵列射流冲击换热特性的影响,并介绍了倾斜射流和旋流射流两种新型阵列射流方式。综合分析了常用的液体换热工质和纳米流体换热工质在射流冲击过程中强化换热的原理,介绍了喷嘴孔型、喷嘴的排列方式和冲击表面结构三种阵列射流结构。分析表明,不同孔型的喷嘴会影响流体的射流速度和湍流特性,不同的喷嘴排列方式会对射流流体的相互作用和有效冲击面积产生影响,不同的冲击表面会影响射流工质的循环混合,这些都将对射流冷板的换热特性产生很大影响。指出了解影响液体阵列射流冲击效果的主要因素,是改善和提高射流换热性能的根本方法。     

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。     

沉积时间和电流对多孔表面沸腾特性的影响

多孔表面是提高沸腾传热性能的有效表面改性技术。为探究多孔表面的制备参数对沸腾传热性能的影响,应用电化学沉积法在不同的沉积时间和电流下制备了多孔表面,并在常压下对去离子水进行了池沸腾实验。与普通表面相比,多孔表面显著提高了沸腾传热性能。最大临界热流密度(CHF)和最高传热系数(HTC)分别达到3.00 MW/m²和136 kW/(m²·K),比光滑表面分别提升了145%和156%。CHF和HTC对多孔表面的增强归因于气化核心数量增加、传热面积的增加和毛细芯吸力的增强。     

流动沸腾不稳定性对加热膜上微汽泡的影响

在流动沸腾的微通道内,以脉冲加热驱动微铂膜产生的汽泡为研究对象,通过实验的方法对处于流动沸腾微通道内的铂膜表面上的汽泡行为进行了研究。发现了三种代表性汽泡形态：类球形汽泡,锥形汽泡,液膜汽泡;分析了微通道内不同加热功率下流动沸腾的不稳定性与这些汽泡的形态和相互转化的关系。结果表明,微通道内不稳定性流动沸腾的振动流态,是铂膜上形成各种泡并以不同方式脱离铂膜的原因;背面加热膜的功率大小也是影响铂膜长泡以及汽泡大小的主要因素之一。研究结果为进一步开发设计新型的微流体功能器件提供了基础和依据。     

射流等离子体放电气氛对木塑复合材料表面性质的影响

利用空气、氮气、氧气3种不同气氛的射流等离子体放电对聚乙烯木塑复合材料（PE-WPC）表面进行处理以改善其胶接性能,其中空气、氮气、氧气气氛处理后的试样分别记为PE-WPC-A、PE-WPC-N和PE-WPC-O。通过对剪切强度、表面接触角、表面形貌、表面官能团以及表面元素含量的测试与表征,研究了不同气氛射流等离子体处理对PE-WPC表面物理化学性质的影响。研究结果表明：射流等离子体处理可以通过改变PE-WPC的表面性质,进而大幅度提高材料的胶接剪切强度,由未处理样品的0.62 MPa提高到处理后试样的11.32~13.79 MPa。对于胶接性能来说,不同气氛的射流等离子体处理效果差别不大;而对于处理后材料表面的微观结构,不同气氛射流等离子体的处理效果存在差别,氮气气氛处理以表面化学改性为主,在材料表面引入更多的含氮基团;氧气气氛处理以表面氧化刻蚀为主,在材料表面引入更多含氧基团;空气气氛处理则是以上2种作用的综合体现。     

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。     

微通道狭缝冲击射流热沉换热及热应力模拟

为研究纳米流体种类及浓度、热沉材料、狭缝长宽比对热沉换热性能及热应力的影响,建立了微通道狭缝冲击射流热沉三维模型.利用数值模拟得到纳米流体在通道形状为圆形和矩形热沉中的压降、热阻、泵功及壁面与流体之间的温差大小,同时也得到不同材料的热沉由于温度分布不均匀而引起的形变量的大小,研究结果表明:通道形状为圆形的热沉在导致泵功...     

脉冲加热下微加热器在Al2O3纳米流体中的沸腾换热

以Al₂O₃-H₂O纳米流体中的微加热器为研究对象,通过实验方法对脉冲加热条件下微加热器的温度响应曲线和气泡动力学行为进行了详细的研究。比较了在纯水及浓度为0.1%和0.2%的Al₂O₃-H₂O纳米流体中微加热器的温度变化和气泡动力学行为。发现在脉冲加热条件下,微加热器在不同浓度的纳米流体中将出现不同的温度响应曲线,加热膜表面的气泡动力学行为也不相同。实验表明,在脉冲加热条件下,微加热器在Al₂O₃-H₂O纳米流体中的换热效果要明显高于纯水,纳米粒子的浓度对于加热膜表面的气泡动力学行为有明显影响,对微加热器换热的影响也很大。最后根据实验结果以及纳米粒子对气液固三相线的影响,对实验中Al₂O₃纳米流体的换热情况进行了合理的解释。     

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.     

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。