混合润湿表面沸腾汽泡底部微液层蒸发特性的机理研究

Wettability of the heating surface is an important factor that influences the boiling heat transfer. Mixed wettability surfaces combine the advantages of the wholly hydrophilic and wholly hydrophobic surface, with low onset of nucleate boiling temperature, high boiling heat transfer coefficient and high critical heat flux. In order to identify the boiling heat transfer mechanism on the mixed wettability surfaces, the proposal aims to investigate the evaporation characteristics of the microlayer underneath the boiling bubble and carry out the following work: (1) Measurement of the dynamic behaviors of the microlayer underneath the boiling bubbles by combining the high-speed photography technology and the laser interferometry method; (2) Measurement of the temperature field of the fluid around the bubble and the heating surface by real time holographic interferometry. (3) Proposing heat transfer models for bubble growth at different stages of the boiling heat transfer based on the theoretical models and experimental data of microlayer.

加热表面的润湿性是影响沸腾换热的重要因素。复合润湿表面结合了单纯亲/疏水表面的优点，具有沸腾起始点低、传热系数大和临界热流密度高的特点。为了揭示复合润湿表面的沸腾换热机理，本项目从微观角度出发，针对沸腾汽泡底部微液层的蒸发机理进行研究，拟开展以下工作：（1）采用激光干涉测量法结合高速摄影技术，研究沸腾汽泡底部微液层的动态特性。（2）采用实时全息干涉技术测量加热面上及汽泡周围流体的温度场。（3）从微液层理论模型出发，结合实验测量数据，建立汽泡成长过程中不同阶段的沸腾换热模型。

传热过程是能量转化与传递过程中的重要环节，在各种传热方式中，相变传热是解决散热冷却问题最为有效的方式之一。无论是传统的换热器还是现代传热技术的应用都对有限传热面内的散热要求越来越高。恒热流蒸发、单项对流强化和沸腾传热是解决散热问题的有效方法。加热表面的润湿性是影响相变换热的重要因素。复合润湿表面结合了单纯亲/疏水表面的优点，具有沸腾起始点低、传热系数大和临界热流密度高的特点。为了揭示不同润湿表面的沸腾换热机理，本项目循序渐从实验和理论方面开展了研究，对自然对流区强化换热机理，亲水和疏水表面液滴蒸发动态特性、不同润湿表面沸腾汽泡底部微液层蒸发机理以及沸腾模型等进行了研究。研究中发现对于恒热流加热蒸发模式，在亲水和疏水表面液滴蒸发模式均以恒接触直径模式为主，在蒸发后期为混合模式，过程中没有出现恒接触角模式。无论亲水还是疏水表面液滴大小对无量纲参数影响很小，例如无量纲接触角、直径、高度和蒸发速率。对沸腾前加热面上方自然对流强化换热的研究表明，电场可以强化加热面微液层的换热。在对微液层的动态特性研究中，发现可以用干区出现时间将干区半径、动态接触角、汽泡体积、汽泡直径等的动态变化过程分为两个时期：微液层期和再润湿期。在微液层期汽泡底部微液层迅速增长，在再润湿期汽泡底部不存在微液层，两个时期汽泡呈现处不同的动态变化规律。在对疏水表面汽泡生长的研究中发现，亲水表面微液层干涉图样呈现规则的同心圆，而疏水表面典型的干涉图样则是不规则的两个圆环。将微液层实验数据应用于微液层蒸发模型，完善了微液层生长模型。本项目对不同润湿表面汽泡动力学的研究进行了扩展和补充，具有一定的理论意义与实际价值。