石墨烯纳米流体的大容器沸腾传热特性与临界热流密度强化机理的实验研究

This project aims at investigating systematically the pool boiling heat transfer characteristics and mechanisms of enhanced critical heat flux of graphene-based nanofluids. Using deionized water as the base liquid, nanofluids with very low concentration (volume fraction less than 0.1%) of graphene nanostructures will be prepared. The dispersity of graphene nanostructures will be improved with the aid of chemical functionalization and surfactants. The stability of the prepared graphene-based nanofluids will be examined quantitatively and their key thermophysical properties that are related to boiling heat transfer performance will be measured, including thermal conductivity, viscosity and surface tension. The pool boiling heat transfer characteristics of the graphene-based nanofluids will be studied by means of the quenching method. The boiling curves and the critical heat fluxes will be obtained by solving the inverse transient heat conduction problems. The coupling effects of the concentration, shape, size, and dispersing approach of the graphene nanostructures, subcooling of the nanofluids, as well as the variations of microscale morphology and wettability, i.e., contact angle, of the boiled surface due to deposition of the graphene nanostructures on the pool boiling heat transfer characteristics of graphene-based nanofluids will be analyzed and identified. The mechanisms of enhanced critical heat flux will be elucidated as well. The outcome of this project will play a positive role in further tapping the potential of graphene nanostructures and nanofluids with applications to enhanced heat transfer areas.

本项目拟对石墨烯纳米流体的大容器沸腾传热特性及其临界热流密度的强化机理进行系统性地实验研究。以去离子水为基液，制备基于石墨烯纳米材料的低浓度悬浮液（体积分数小于0.1%）。采用表面化学修饰和添加表面活性剂的方法提高石墨烯纳米材料的分散性。对所制备的石墨烯纳米流体的稳定性进行定量观测，并测量其导热系数、粘度和表面张力等与沸腾传热行为有关的关键热物性。采用淬火法研究石墨烯纳米流体的大容器沸腾传热特性，通过求解瞬态导热反问题获得其沸腾曲线并确定临界热流密度。分析厘清石墨烯纳米材料的浓度、形态、尺寸和分散方法，纳米流体的过冷度以及石墨烯纳米材料在沸腾表面沉积所引起的表面微观结构和浸润特性（即接触角）的变化等复杂因素对石墨烯纳米流体大容器沸腾传热特性的耦合影响规律，并揭示其临界热流密度的强化机理。本项目的研究对进一步发掘石墨烯纳米材料和纳米流体在强化传热领域的应用潜力具有积极意义。

沸腾传热是一种高效的相变换热方式。对沸腾传热进行强化、提高临界热流密度是传热学领域长期的研究热点。纳米流体的出现为强化沸腾传热提供了一条新的途径，尤其是利用新兴的石墨烯纳米流体有望进一步提升纳米流体在沸腾传热领域的应用潜力。因此，本资助项目对石墨烯纳米流体的大容器沸腾传热特性及其临界热流密度的强化机理进行了系统性的实验研究，重点观察了浓度的影响。以去离子水为基液，制备基于氧化石墨烯的不同浓度纳米流体（质量浓度小于0.1%）。通过淬火冷却的方法获得了沸腾曲线并确定了临界热流密度。大量的实验数据表明，氧化石墨烯在沸腾表面沉积所引起的表面特性尤其是浸润性的变化是其临界热流密度增强的主要原因。由于氧化石墨烯特殊的准二维形态，在沉积过程中会形成一种鱼鳞状堆积的有序自主装结构，有效地改善了表面的浸润性，使得质量浓度仅为0.0002%的纳米流体的临界热流密度提高了25%。不过随着浓度的提高，氧化石墨烯纳米流体的沸腾传热特性与临界热流密度的变化并不随之有单调变化的关系，而是与氧化石墨烯在表面的沉积形貌及其所导致的表面浸润性变化直接相关。通过对同一沸腾表面的连续淬火测试还发现，纳米流体中的悬浮氧化石墨烯的影响相对较小，但在浓度较高时亦不可忽略。以上所得到的石墨烯纳米流体临界热流密度的强化机理虽然明确，但实际应用中氧化石墨烯沉积层的状态不仅与浓度有关，还受到其他多种复杂因素的影响，有其随机不可控性，因而限制了这一方法在工程中的应用。为了对沸腾传热和临界热流密度进行可控强化，本资助项目还采用微纳尺度表面主动改性的方法制备得到了具有超亲水特征的表面，并测试了其沸腾传热性能。结果表明，当表面呈现超亲水特征时临界热流密度较之原来的一般亲水表面增强了70%。根据可视化观察，超亲水表面所引起的剧烈重湿润现象是导致临界热流密度增强的主要原因，这为工程中制备可控强化沸腾传热表面指引了方向。较之采用石墨烯纳米流体的被动式强化手段，这种通过物理沉积得到超亲水表面的主动式强化方法同样简便易行，强化效果突出并且具有良好的耐用性。为了进一步强化沸腾传热和临界热流密度，还要在微观上实现局部浸润性的混合调控并合理运用表面微结构以实现智慧型的可控沸腾表面。