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。     

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。     

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。     

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％.     

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。     

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%。     

直接接触式沸腾换热过程气泡混合均匀度评价

针对直接接触式沸腾换热过程中气泡群扰动的多相流体混合性能评价问题,提出一种基于图像处理技术与像素偏差理论量化混合复杂流体流型均匀性的精确检测与度量新方法。通过气泡群RGB图像的灰度矩阵进行偏差计算,精确地定量描绘了直接接触式换热过程中的气-液混合状态,其值大小反映了气泡群的分布状况,而不同工况下混合均匀时间的差异反映了不同多相体系的均匀性差异;对偏差序列进行正态性检验,发现其近似符合正态分布;运用混沌检测方法对序列进行混沌特征分析,发现整个混合过程是混沌的。通过一个简单的指标实现了复杂条件下气泡群的量化和表征,为多相流流型识别提供了新的分析思路并指导换热过程的混沌强化。     

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。     

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。     

基于不同润湿性微细通道过冷沸腾起始点（ONB）的实验研究

为了研究微细通道壁面润湿性对过冷沸腾起始点（ONB）的影响,采用CuCl₂溶液刻蚀普通光滑表面微细通道得到超亲水表面微细通道,再用氟硅烷溶液修饰超亲水表面微细通道得到超疏水表面微细通道。以R141b为实验工质,在压力为170kPa、质量流率302.7~417.2kg/（m²·s）、热流密度2.17~29.9kW/m²的工况下进行流动沸腾实验。结果表明：超疏水表面微细通道ONB点的过热度最低,普通光滑表面微细通道达到ONB点所需过热度最高;随着热流密度的增大,距离出口最近的测点最先开始沸腾,达到ONB点所需过热度也为最小;随着质量流率的增大,ONB点的过热度逐渐增大。本文选取了7种典型的ONB点处壁面过热度预测公式,将实验值与公式预测值进行对比,发现HSU模型的预测效果最好,对光滑/超亲水/超疏水表面微细通道ONB过热度预测平均绝对误差（MAE）值分别为13.1%、20.8%和21.5%。为了更好地预测具有特殊润湿性表面的ONB过热度,引入表面能参数对HSU模型进行修正,预测精度大大提高。     

电场中汽泡行为的变化及对沸腾换热的影响

为进一步探索电场强化沸腾换热的机理,利用高速摄像仪对沸腾汽泡在电场作用下的生长过程进行了可视化实验研究,实验观察到电场作用下汽泡生长的动态图像,并对电场作用下汽泡行为的改变对沸腾换热的影响进行了初步分析。研究结果表明：电场作用下汽泡沿场强方向伸长,随着场强的升高,汽泡的脱离长径比增大,脱离体积减小,脱离频率增大。汽泡变形是由于汽泡受到电应力的作用,电应力在赤道方向压缩汽泡,在极轴方向拉伸汽泡,使得汽泡沿场强方向变细变长。由于在电场作用下汽泡行为的变化使得沸腾传热系数和临界热流密度提高。     

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。     

氧化石墨烯表面的饱和池沸腾强化传热实验

利用氧化石墨烯（GO）纳米片沸腾自组装法（self-assembly）制备出GO纳米表面,以蒸馏水为液体工质,对常压下GO纳米表面和光滑铜平面的饱和池沸腾换热特性进行了对比实验研究,并用高速摄像机拍摄了汽泡的动态行为。结果表明,GO纳米表面降低了换热壁面的过热度,其临界热流密度（CHF）和换热系数（HTC）分别达到了208W/cm²和7.25W/(cm²?K),较光滑铜平面分别提高了66.4%和86.9%。分析认为,是铜基底表面沉积的润湿性优异的高导热二维GO层状结构促使了CHF提高。汽泡可视化观察发现,相比于光滑铜平面,较低热流密度时,相同热流下GO纳米表面上汽泡脱离直径较小,脱离频率较高,汽化核心增多;较高热流密度时,光滑铜平面汽泡合并现象更严重,即GO纳米表面能延缓导致CHF产生的表面蒸汽膜的出现。     

超亲/疏水性表面池沸腾传热研究

为研究超亲/疏水性表面对沸腾传热的影响,用H₂O₂氧化的方式制备了超亲水表面,用氨水加高分子修饰的方式制备了超疏水表面。在常压下以蒸馏水为工质,采用高速摄影仪对其进行了池沸腾传热实验。结果表明,超疏水表面亲气疏水,在沸腾起始点易于产生气泡,且气泡不易脱离,此时壁面过热度ΔTs仅为2.4K,但随热流密度的增大,气泡易于聚合,所产生的大气泡阻碍了传热的进行,传热开始恶化,临界热流密度（CHF）较低;而H₂O₂氧化的表面由于刀片状微纳结构的存在,增加了表面的粗糙度,不仅增大了相变传热表面积、增加了核化点数量,而且具有超亲水特性,气泡脱离频率较大,大大强化了沸腾传热,最大换热系数约是光表面的1.7倍,且相应地提高了CHF,可达131.0W/cm²,表现出较好的传热特性。