纳米结构表面的池沸腾换热研究及参数优化

Nano-scale structures on heated surfaces are widely used to improve the boiling heat transfer. In order to optimize the nano-structure geometry for boiling enhancement, the effect of nano-structures on pool boiling heat transfer will be investigated experimentally and analytically. This research focuses on: (1) Pool boiling experiments on nano-structures surfaces will be conducted to observe the bubble dynamics during bubble nucleation, growth and departure processes; (2) Through the changes in surface energy, an analytical model for bubble departure diameter will be established; (3) Based on the Gibbs free energy, taking into consideration the effect of nano-structure height and diameter on critical instability wavelength and capillary force, a critical heat flux model for nano-structured surfaces will be provided.

加热表面的纳米结构可以有效提高沸腾换热性能。为探索纳米结构几何形貌对汽泡动力学及沸腾换热特性的影响规律，优化纳米结构的几何参数以强化沸腾换热性能，拟开展以下研究：(1) 通过可视化实验观测纳米结构表面上汽泡成核、生长及脱离的动力学特性，并揭示纳米结构的几何参数对壁面过热度、换热系数及临界热流密度的影响趋势；(2) 从表面能的角度，探索纳米结构几何参数对汽泡生长及脱离过程的作用规律，推导纳米结构表面的汽泡脱离直径计算公式；(3) 基于Gibbs自由能的变化，考虑纳米结构高度及直径对临界不稳定波长与毛细作用力的影响，建立适用于纳米结构表面的临界热流密度预测模型。

通过纳米颗粒表面修饰及蒸发沉积，在铜表面上制备了不同特性和形貌的微纳结构，并搭建了微纳结构表面池沸腾换热可视化实验台以及纳米颗粒悬浮液液滴蒸发可视化实验台进行观测。通过微纳结构表面池沸腾实验，发现用聚乙二醇基团改性的SiO2纳米颗粒沸腾沉积层增大了加热面的粗糙度，且能增强纯水的沸腾换热系数；而用磺酸基团改性的SiO2纳米颗粒沸腾沉积层对加热面粗糙度的改变不明显，且恶化了纯水的沸腾换热系数。基于实验结果分析了改性官能团对SiO2纳米颗粒沉积机理的影响，以及微纳结构参数对沸腾换热性能的影响规律。基于格子Boltzmann方法的Gong-Cheng汽液相变数值模型，考虑耦合传热建立了单个及多个微孔粗糙表面上池沸腾换热仿真模型，模拟了多个及单个微孔亲水、疏水及亲疏水混合表面上的池沸腾换热，首次通过数值模拟的方法得到了多孔粗糙表面上从自然对流直到膜态沸腾的全区域池沸腾曲线，并总结出粗糙及光滑表面对汽泡生长、合并及脱离过程和池沸腾换热性能的影响规律。基于修正的伪势汽液相变LBM方法建立了膜态沸腾仿真模型题，对水平表面上膜态沸腾换热进行了数值模拟。考虑了加热片内的热传导耦合换热问，研究了膜态沸腾过程中加热片的热响应问题。Nu数计算值与现有的关系式符合良好。数值模拟还研究了汽膜厚度的时间和空间变化，并与现有公式进行了比较，证实了膜态沸腾过程中加热表面温度随位置和时间的变化。上述实验及模拟研究为相变换热结构优化提供了理论依据，在航天及电子器件散热领域具有广泛的应用前景。