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。     

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。     

受限纳米通道内气泡核化的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟研究受限纳米通道内液体在固体壁面上的核化生长过程,本文主要研究固体壁面润湿性对液体核化生长的影响并分析了气泡成核机理。结果表明：不同壁面润湿性对气泡核化生长产生较大影响。壁面润湿性强时,近壁面处会形成一层液膜,出现与池沸腾不同的现象,流体在液膜层发生均质核化,气泡核化生长速度较快;壁面润湿性较弱时,液体在近壁面处发生异质核化,气泡核化生长速度相对较慢;壁面润湿性最弱时,在近壁面处会形成一层气膜,热量通过气膜传递给流体,传热效果不佳,液体很难发生核化现象。形成这种现象的原因是壁面润湿性强,近壁面处会形成“类固体”层,热量由壁面经“类固体”层传给通道内流体,传热效果好,此外,“类固体”层越厚传热效果越好。壁面润湿性弱时,近壁面处没有“类固体”层,会形成一层气膜,降低传热效果,影响通道内流体核化生长。     

不同润湿表面液体沸腾的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究纳米尺度下液氩在过热基板上的沸腾过程。通过调节固液间相互作用的方式改变壁面润湿性,模拟并分析了壁面润湿性对沸腾过程中能量传递和液体运动情况的影响。结果表明：不同润湿性表面均会发生固液分离的现象,但是固体表面附近吸附的氩原子数密度随润湿性增强而增大;润湿性较强时,液体的能量上升快,热通量高,液体内部温度梯度大,发生固液分离时间早,系统中氩的温度和能量低,上升过程中液氩密度、厚度变化小;润湿性较弱时,液体的能量上升慢,热通量小,液体内部温度梯度小,发生固液分离时间延后,系统中氩的温度、能量更高,上升过程中液氩密度、厚度变化较大。下部气体压力整体上大于上部气体压力,发生固液分离时润湿性越强的表面上液体上下压差越大,首次上升过程能达到的高度越高,所需时间越短。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

基于自润湿溶液的纳米表面传热性能

采用阳极氧化法在钛板表面制备出TiO₂纳米管阵列,并以其为加热表面。以含不同浓度丁醇的自润湿溶液为实验工质,考察了自润湿溶液浓度变化对系统临界热流密度和传热系数的影响,并从气泡行为的不同分析了两者耦合强化传热的机理。结果表明：相比于光滑表面和蒸馏水的常规组合,TiO₂纳米管表面和自润湿溶液耦合传热使得系统的临界热流密度大幅度提高,随自润湿溶液浓度的升高,传热系数依次降低。具有超亲水性和较大粗糙度的纳米管表面与1%（质量分数,下同）自润湿性溶液相耦合时,其最大传热系数和临界热流密度分别为11.963 kW·m^-2·℃^-1与623.706 kW·m^-2,比常规组合传热分别提高了84.1%和143.8%。由气泡可视化可知,耦合传热在沸腾过程中产生的气泡细小,脱离速度快,不易团聚,合并后的气泡易破碎,易形成微气泡,从而使系统进入剧烈的微气泡沸腾状态。气泡的高脱离频率和特殊有效的液体补充路径,是提高系统传热系数和临界热流密度的主要原因。     

Pool boiling of nanoparticle-modified surface with interlaced wettability

ABSTRACT: This study investigated the pool boiling heat transfer under heating surfaces with various interlaced wettability. Nano-silica particles were used as the coating element to vary the interlaced wettability of the surface. The experimental results revealed that when the wettability of a surface is uniform, the critical heat flux increases with the more wettable surface; however, when the wettability of a surface is modified interlacedly, regardless of whether the modified region becomes more hydrophilic or hydrophobic, the critical heat flux is consistently higher than that of the isotropic surface. In addition, this study observed that critical heat flux was higher when the contact angle difference between the plain surface and the modified region was smaller.     

恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发特性

以恒热流方式结合高速摄影技术同步观察记录3 μl的小液滴在不同亲疏水表面的蒸发过程。通过一系列的对比实验观察记录了不同亲疏水表面液滴蒸发时接触角、接触直径、蒸发时间等的动态特性。从实验分析中可以看出亲水表面液滴蒸发速率比疏水表面上液滴蒸发速率快,并且随着热通量的增大,液滴蒸发速率增大。在恒热流条件下亲疏水表面液滴蒸发以CCR模式为主,在蒸发后期呈现混合蒸发模式,全程未出现CCA模式。     

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。     

微纳复合表面HFE-7100/水的BRT现象及沸腾传热特性

HFE-7100/水作为非共沸不互溶工质可以拓宽核状沸腾传热的有效温区,目前关于其在微纳复合表面的沸腾传热特性和气泡运动机理尚不明晰。利用气泡模板电沉积法在铜基表面上制备了具有微纳孔洞的复合结构,测试了HFE-7100/水的沸腾传热特性,并通过可视化探究了沸腾工质转换（BRT）过程中两相工质在表面的润湿状态和气泡运动现象。结果表明,微纳复合表面上HFE-7100/水的BRT过程中,气泡先后经历小气泡聚并、气膜膨胀、轻工质接触壁面核化三个过程。在BRT过程中,HFE-7100与水对热壁面的润湿性存在竞争关系,随着过热度增加,薄的HFE-7100液层难以维持稳定的重工质沸腾,上层水工质可以穿过HFE-7100层对热壁面实现完全润湿,完成BRT过程。与单一工质相比,常压下HFE-7100/水混合工质体系可以在343~423 K下实现高效的核状沸腾传热。该研究揭示了HFE-7100/水在微纳复合表面的沸腾传热特性,为沸腾强化表面设计提供了思路。     

流态化固体颗粒对载气蒸发传热的强化

Heat transfer characteristics are studied for gas carrying evaporation with fluidized solid particles in a vertical rectangular conduit. Experimental results show that heat transfer of gas carrying evaporation is enhanced and the superheat of liquid in contact with heating surface lowers remarkably by introducing solid particles. Nucleate boiling on the heating surface is suppressed to a considerable degree. The mechanism of heat transfer enhancement by fluidized solid particles is analyzed with the consideration of collisions of solid particles with the boiling vapor bubbles.     

Experimental investigation of transition process from nucleate boiling to microbubble emission boiling under transient heating modes

This study investigated the transition from nucleate boiling to microbubble emission boiling (MEB) on a small heating surface under transient heating modes. During the short unstable boiling process after critical heat flux with a rapid increase in wall temperature, capillary waves were observed over the vapor film at subcooling of 30–40 K. The visualization results in this process demonstrated that the partial collapse of vapor film induced strong jet toward the heating surface and therefore avoided complete dryout thereon. This mechanism certainly plays an important role in the transition to stable MEB. Further comparison between the wall temperature and boiling states indicates that the wall temperature at onset point of stable MEB is determined by the predominance of MEB mode over film boiling in the transition process. Effects of liquid subcooling and surface oxidation on the transition process were also investigated at the same time.