梯度结构微纳多孔表面沸腾传热性能及强化机理研究

Micro/nano modification on the surface is one of the major methods and research hotspots of boiling enhancement, but it still needs further research on how the micro/nano porous surfaces with controllable gradient structure enhance the boiling. In this proposal, electro-chemical method will be used to fabricate micro/nano porous surfaces with controllable gradient structure. Experiments will be carried out to study their boiling heat transfer performance both in large space (pool boiling) and in limited space (such as flat heat pipe, a phase change heat transfer device). In the experiment, one can grasp the pool boiling characteristic, including bobble dynamic, heat transfer coefficient, critical heat flux and so on, and boiling heat transfer performance within the limited space. At the meantime, theoretical analysis will be performed by improving the Zuber’s CHF model. By carried out the proposal, the boiling enhance mechanism of micro/nano porous surface with gradient structure can be revealed to develop new approach for boiling enhancement and supply the future application.

表面微纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点，但梯度结构微纳多孔表面如何强化沸腾传热仍有待进一步的研究。本项目拟采用电化学方法制备梯度结构微纳多孔表面，分别测试其在大空间（如池沸腾）及有限空间内（以相变传热器件的平板热管为例）的沸腾传热性能，获取气泡动力学、传热系数、临界热流密度等传热性能，以及这些表面在有限空间内的沸腾传热规律，改进并完善Zuber CHF模型进行机理分析。通过项目实施，可进一步揭示梯度结构微纳多孔表面的沸腾传热强化机理，发展沸腾强化传热的新方法，为实际应用提供理论支持。

表面微纳加工是强化沸腾传热的重要方法和研究热点，但梯度结构微纳多孔表面如何强化沸腾传热仍有待进一步的研究。本项目发明并制备了若干种不同的梯度结构微纳多孔表面，分别测试其在大空间（如池沸腾）及有限空间内（即相变传热器件内部）的沸腾传热性能，改进并完善CHF模型进行机理分析。相继获得以下成果：. （1）制备了多种不同的几何尺寸梯度多孔表面并测试它们的传热性能。其中，径向变化的孔径有利于进一步强化沸腾，特别是在高热流密度时（84 W/cm2），径向梯度蜂窝状多孔表面的传热系数约是均匀孔径蜂窝状样品的1.5倍，光滑铜表面的3.5倍。进一步地，我们还开发了具备超高热流密度传热性能的蜂窝状多孔沸腾表面，当热流密度高达910 W/cm-2时，其壁面过热度只有16℃。. （2）通过PTFE修饰的方法制备了多种不同的润湿性梯度结构多孔表面。复合双层多孔表面修饰了疏水的PTFE颗粒后，消除了常见多孔表面沸腾过程中的沸腾迟滞现象。我们又将PTFE修饰法推广到树林状多孔表面，最终获得了270 W/cm2的CHF，以及高达33 W/cm2·K1的沸腾传热系数，约为光滑铜表面最大HTC的7倍。. （3）对梯度结构微纳多孔表面池沸腾临界热流模型及其机理分析。在相同的加热器尺寸下，树林状结构的CHF增量要明显高于蜂窝状结构的CHF增量。蜂窝状多孔表面的CHF和改进的水力动力学模型复合较好，而含有树林状多孔结构的表面的CHF主要与轴上的毛细力密切相关。. （4）利用树林状结构作为吸液芯组装出厚度仅为0.6 mm的超薄平板热管，最佳充率液为71%。此时，其当量导热系数可达1.26×10^4 W/m·K。此外，梯度结构多孔表面在热虹吸管中也能显著提高传热性能。. 总的来说，本项目进一步揭示梯度结构微纳多孔表面的沸腾传热强化机理，以及其在其它领域的一些潜在应用。本项目已经在ACS Nano，International Journal of Heat and Mass Transfer等著名期刊上发表论文10篇，其中SCI收录6篇;获2019年传热传质年会优秀展报奖；申请发明6个其中有2个发明专利和2个实用新型已获授权;在国际会议上做邀请报告 1次，在国内会议上做大会特邀报告1次，在国内会议做分组邀请报告1次。