人工核化条件下引导微通道沸腾流型转换和强化传热的协同机理研究

人工核化建设在一定程度上能有效抑制微通道流动沸腾不稳定性，改善传热效率，对微通道热沉系统的设计和运行有重要指导意义。而研究微通道沸腾核化机理是预测通道两相流流型的关键，也是强化传热和推进抑制沸腾不稳定技术实用化的基础。基于数值模拟和实验研究交替进行的思路，本项目拟研究微通道人工核化影响两相流沸腾流型转换及强化传热的协同机理。首先应用Lattice Boltzmann方法数值研究微通道内不同影响因素下人工核化的形成，行为以及活化核心间的相互作用等与微通道流动和传热的耦合影响；在数值研究的基础上有针对性地设计硅基微流控芯片，深入研究微尺度空间内人工核化建设的数量、类型及布局等系列优化问题，建设人工核化引导沸腾流型趋稳，以实现微尺度沸腾流动的热力学参数可控，为强化沸腾换热与抑制沸腾不稳定性的技术协同提供理论基础。

微通道流动沸腾在电子器件冷却技术的推动下近几十年被广泛研究，其中汽泡增长引发的体积膨胀是流动不稳定性的直接原因，不规律的汽泡增长引发不规律的沸腾流动。而这种受汽泡动力学影响的不规律相变增长很难在实验中直接测量和理论上定量分析。为探索微通道人工核化影响两相流沸腾流型转换及强化传热的协同机理，项目构造lattice Boltzmann多相流复合模型，通过数值模拟不同发泡频率的泡状流，量化分析了汽泡运动和增长对微通道流动和传热的相互影响；数值模拟汽泡在人工空穴上核化跃离的物理过程，量化分析了汽泡核化、跃离和运动对微通内液相流动和传热的影响。.1.项目通过数值分析微通道内不同频率的种子汽泡引入微通道的物理过程，研究了汽泡对运动边界层和热边界的相互影响，从而量化分析人工泡状流强化微通道传热的机理。汽泡运动对微通道运动边界层的扰动增强了对流传热；汽泡的界面相变潜热消耗增强了汽泡周围局部传热；随着汽泡的增长又强化了微通道热边界层的传热；另外通道边界层的存在又影响了汽泡的运动。.2.项目数值模拟了微通道人工空穴汽泡核化跃离的物理过程，计算结果量化分析了汽泡增长跃离及运动对微通道流动和传热的影响。在阻塞流动方面，汽泡对通道的阻力主要来自于跃离前的增长过程，这个阻力是周期性波动的；其次来自于汽泡长大后对运动边界层的扰动，这个阻力是随着汽泡进一步增长而加强的。在强化传热方面，人工空穴核化汽泡增长消耗相变潜热增强了局部热边界层的传热效率，其次汽泡增长膨胀和汽泡运动扰动流场增强了通道内对流传热效率。另外，通过数值计算可以明确优化人工空穴核化强化微通道传热，抑制沸腾流动不稳定性的切入点之一就是有效降低空穴汽泡的跃离直径，缩短跃离周期。.3. 项目还数值研究了单相流微通道流动与传热；单个种子汽泡存在的微通道流动与传热；单个核化穴汽泡的微通道流动与传热；单个种子汽泡和核化穴汽泡并存的微通道流动与传热，双核化穴汽泡的微通道流动与传热。研究结果显示核化穴汽泡跃离前的增长对微通道流动形成了显著的阻力作用，并且这种阻力作用与通道内运动的汽泡或其他核化汽泡相互干涉，体现出或增强或减弱的交替叠加规律。其中，种子汽泡与核化穴汽泡合并引发汽泡提前跃离，从而弱化了核化穴汽泡跃离前的流动阻塞作用，在一定程度上起到了抑制流动不稳定性的作用。核化穴汽化之间相互作用会对微通道流场产生一个随时间交替并且能够叠加的阻塞作用。