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。     

基于气泡动力学分段调控浸润性强化核态沸腾

基于多孔或微结构表面润湿性改性的核态沸腾强化传热,已得到广泛研究。利用CFD-VOF数值模拟方法,针对单晶硅微柱表面单气泡的生长及脱离过程,进行表面浸润性分段调控,实现气泡沸腾换热的全程强化。分别调控初始接触角为48°、60°、90°和110°后,同一时刻 （t = 0.152 ms） 变接触角为20°,对比研究分段调控浸润性对气泡动力学过程与表面换热性能的影响。结果表明：疏水性可提高气泡生长速率,增强微柱表面对气泡的黏附力,促进气泡在微结构缝隙内的横向铺展;t = 0.150 ms时接触角为110° 表面上气泡与底面接触面积增加1.3倍,微层蒸发功率增加1.2倍。需要指出的是,毛细效应随颗粒粒径变化趋势受到多孔介质复杂孔隙结构特征的影响。在当前粒径范围内,认为其具有正相关关系,但在更大范围内的对应关系,还需要在未来进一步深入揭示。     

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。     

超疏水/亲水性结构表面流动沸腾传热实验研究

用激光烧蚀方法在抛光后的铜上制备出四种无需涂覆修饰即可获得超疏水/亲水性的规则微阵列结构表面。基于流动可视化与温度数据结果,分析了表面浸润性和过冷度对流动沸腾传热性能的影响,与经典汽化核心密度关联式进行了对比。结果表明：疏水表面可削弱单相对流传热,大幅强化沸腾传热,最大传热系数提高了75.5%,沸腾起始点提前3.5 K,且汽化核心数目较裸铜表面提高了5倍以上,但有较低的临界热通量。超亲水表面可增强单相对流传热、小幅度提升流动沸腾传热。对比亲水表面与疏水表面的气泡生长过程,发现疏水表面尾端气泡容易汇聚,生长周期较长;而亲水表面没有发生明显的气泡汇聚行为,气泡生长周期较短。     

水基SiO2纳米流体沸腾换热特性

纳米流体作为新型换热介质可广泛应用于多个领域。现有研究结果表明导致纳米流体沸腾换热性能变化的因素主要在于纳米颗粒在换热表面的沉积、加热表面粗糙度、表面张力、内部能量传递、气泡形成条件等。对水基SiO₂纳米流体进行池沸腾实验研究,得到SiO₂/水纳米流体与纯基液-去离子水核态沸腾换热特性的区别,比较不同颗粒粒径对纳米流体换热特性影响。结果表明：对于低浓度纳米流体,添加纳米颗粒后流体的换热特性与纯基液在相同条件下进行核态沸腾时的换热特性有较大差异,不同粒径之间换热特性变化明显,随着粒径的增加呈非线性增长趋势,随着热通量增大纳米颗粒粒径对换热特性的影响趋势增大。     

水基SiO_2纳米流体沸腾换热特性

纳米流体作为新型换热介质可广泛应用于多个领域。现有研究结果表明导致纳米流体沸腾换热性能变化的因素主要在于纳米颗粒在换热表面的沉积、加热表面粗糙度、表面张力、内部能量传递、气泡形成条件等。对水基SiO_2纳米流体进行池沸腾实验研究,得到SiO_2/水纳米流体与纯基液-去离子水核态沸腾换热特性的区别,比较不同颗粒粒径对纳米流体换热特性影响。结果表明:对于低浓度纳米流体,添加纳米颗粒后流体的换热特性与纯基液在相同条件下进行核态沸腾时的换热特性有较大差异,不同粒径之间换热特性变化明显,随着粒径的增加呈非线性增长趋势,随着热通量增大纳米颗粒粒径对换热特性的影响趋势增大。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

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.     

纳米管表面和自润湿溶液相耦合的传热性能

采用阳极氧化法在光滑钛板表面制备了高度有序的纳米管表面，利用扫描电镜、原子力显微镜和全自动接触角测量仪表征了纳米管表面和光滑表面的形貌及表面特性，配制自润湿溶液并进行热物性测定，将不同的加热面(光滑表面和纳米管表面)与不同工质(蒸馏水和自润湿溶液)组合进行池沸腾实验，从不同角度对比了不同组合工况的传热效果，从微观和宏观两方面对纳米管表面和自润湿溶液耦合强化传热的机理进行了分析。结果表明，具有超亲水性和较大粗糙度的纳米管表面与自润湿性溶液耦合时，最大传热系数和临界热流密度较高，分别为11.963 kW/(m2?℃)和623.706 kW/m2，比光滑表面与蒸馏水的常规组合传热分别提高了84.1%和143.8%。纳米管表面和自润湿溶液对系统的最大传热系数和临界热流密度强化作用稍有不同，二者协调强化沸腾传热性能。纳米管表面具有更多的有效汽化核心、更大的粗糙度和更好的润湿性，结合自润湿溶液特殊的表面张力特性形成冷热液体微循环，促进冷热液体运动，及时进行二次润湿，大幅减小气泡脱离直径，提高其脱离频率，出现微气泡，增加了对系统的扰动，有效增强了传热性能，是提高系统最大传热系数和临界热流密度的主要原因。     

方肋微通道内流动沸腾的气泡动态与传热特性分析

为揭示方肋微通道热沉内流动沸腾的传热传质机理,本文基于耦合VOF方法与“饱和界面”相变模型对微通道内单个气泡绕流加热方肋的传热传质过程进行了数值研究。通过分析该过程中气泡增长速率与方肋壁面传热系数的变化,重点讨论了初始气泡体积和入口雷诺数Re对相变传热效率和流动结构的影响。结果表明：在气泡流经加热方肋过程中,气泡与方肋表面之间形成一层薄液膜,该薄液膜的相变蒸发极大强化方肋表面的换热效果,换热系数较相同条件下的单相流动提升6倍以上。此外液膜厚度随Re增大而变厚,液膜热阻相应增大,液膜蒸发对换热的促进作用随Re增大而降低。最后考察了气泡体积对方肋壁面换热的影响,结果表明：初始体积大的气泡具有更薄的液膜厚度及更大的蒸发面积,表现出更高的相变传热效率;而小气泡对壁面温度影响较小。     

Influence of nanoparticle concentrations on flow boiling heat transfer coefficients of Al2O3/R141b in micro heat exchanger by direct metal laser sintering

Al2O3/R141b+Span-80 nanorefrigerant for 0.05 wt.% to 0.4 wt.% is prepared by ultrasonic vibration to investi-gate the influence of nanoparticle concentrations on flow boiling heat transfer of Al2O3/R141b+Span-80 in micro heat exchanger by direct metal laser sintering.Experimental results show that nanoparticle concentrations have significantly impact on heat transfer coefficients by homogeneity test of variances according to mathemat-ical statistics.The heat transfer performance of Al2O3/R141b+Span-80 nanorefrigerant is enhanced after adding nanoparticles in the pure refrigerant R141b.The heat transfer coefficients of 0.05 wt.%,0.1 wt.%,0.2 wt.%,0.3 wt.% and 0.4 wt.% Al2O3/R141b+Span-80 nanorefrigerant respectively increase by 55.0%,72.0%,53.0%,42.3% and 39.9% compared with the pure refrigerant R141b.The particle fluxes from viscosity gradient,non-uniform shear rate and Brownian motion cause particles to migrate in fluid especially in the process of flow boiling.This mi-gration motion enhances heat transfer between nanoparticles and fluid.Therefore,the heat transfer performance of nanofluid is enhanced. It is important to note that the heat transfer coefficients nonlinearly increase with nanoparticle concentrations increasing.The heat transfer coefficients reach its maximum value at the mass concentration of 0.1% and then it decreases slightly.There exists an optimal mass concentration corresponding to the best heat transfer enhancement. The reason for the above phenomenon is attributed to nanoparticles deposition on the minichannel wall by Scanning Electron Microscopy observation.The channel surface wettability increases during the flow boiling experiment in the mass concentration range from 0.2 wt.% to 0.4 wt.%.The channel surface with wettability increasing needs more energy to produce a bubble.Therefore,the heat transfer coefficients decrease with nanoparticle concentrations in the range from 0.2 wt.% to 0.4 wt.%.In addition,a new correlation has been proposed by fitting the experimental data considering the influence of mass concentrations on the heat trans-fer performance.The new correlation can effectively predict the heat transfer coefficient.     

Bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels

Three-dimensional simulations are performed to study the bubble breakup and boiling heat transfer in Y-shaped bifurcating microchannels with different heat fluxes and bifurcating angles. Results show that the breakup regime for continuously growing bubble changes from tunnel breakup to obstructed breakup as the heat flux increases. Interestingly, the pinch-off stage of bubble breakup becomes inconspicuous in small acute-angle bifurcating microchannel. The flow structure changes from smooth mode to twining mode as the bifurcating angle increases. The bubble transit leads to the shrink or disappearance of vortex. The heat transfer is tightly associated with bubble dynamics. The negative heat transfer enhancement is observed at low heat flux and it is eliminated at high heat flux. The heat transfer is enhanced with the increase in heat flux, while the effect of bifurcating angle is relatively complex. The present study provides new insights into the two-phase flow in bifurcating structures.