有限空间微纳双尺度多孔表面沸腾传热机理研究

Boiling in narrow space is very common in engineering such as nuclear reactor, plate heat exchanger, electronic cooling and so on. The boiling heat transfer coefficient is first increasing and then decreasing as the space decreasing. The micro and nano modified surface is a major process to enhance the boiling, so it has important scientific significance and practical value to study the boiling heat transfer mechanism of Micro-nano bi-porous surface (MNBPS) in narrow space. Adonic method is used to make different MNBCS in this proposal. The boiling heat transfer characteristic and bubble dynamics is studied by changing the structure of the MNBPS, and the space above the MNBCS. It is expected to find the law how the space above the MNBCS affects the boiling and how the MNBCS affect the capillary force, the porosity and the permeability. The boiling enhancement mechanisms will be discussed and the best structure in different height is got. Besides, the MNBCS will be used as key component to develop two-phase heat transfer device such as flat plate heat pipe. The heat transfer performance of the flat plate heat pipe will be test, and its heat transfer characteristic will be got to supply the future application.

有限空间沸腾广泛存在于核反应堆、板式换热器、电子元件器冷却等工程应用中，其沸腾传热系数往往随空间变小先增大再减小；而表面微纳加工是强化沸腾传热的重要途径，研究有限空间内微纳结构多孔表面的沸腾现象有重要的学术意义和广泛的应用前景。本项目将采用电化学阳极氧化方法制备不同的铜基微纳双尺度多孔表面，通过控制不同的表面微纳结构及不同高度的有限空间研究其沸腾传热特性，获得有限空间的高度对沸腾传热的影响规律，得到微纳米双尺度对多孔表面的毛细力、孔隙率以及渗透率的影响规律，揭示不同微纳结构对沸腾传热的强化机理，得到不同高度时的最优表面结构；同时设计有限空间两相传热器件（以平板热管为例）并进行传热特性测试，获得微-纳米双尺度多孔表面应用于有限空间两相传热器件的传热规律，为实际应用提供科学依据。

摘要：(对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，1000字以内)：.表面微纳加工是强化沸腾传热的重要途径，研究有限空间内微纳结构多孔表面的沸腾现象有重要的学术意义和广泛的应用前景。本项目采用电化学方法可控制备微纳双尺度多孔表面（MNBPS），包括微纳双尺度多孔铜表面(Cu-MNBPS)和二氧化钛纳米管阵列；通过实验研究不同材料以及表面微纳结构对沸腾传热的影响，同时设计有限空间两相传热器件并进行传热特性测试。相继获得以下成果：.（1）获得了不同材料制备多孔表面的方法，研究了对沸腾传热的影响。电沉积法制备的Cu-MNBPS有利于气泡生成，可明显强化沸腾传热。而阳极腐蚀的Cu-MNBPS由于表面结构毛细力弱，对沸腾传热提高有限。与Cu-MNBPS相比，二氧化钛纳米管阵列的凹坑难以形成有效的汽化核心，不一定能强化沸腾。.（2）得到了表面形貌对沸腾传热的影响规律。热流密度小于130W/cm2时，单层Cu-MNBPS有利于气泡的脱离，其传热效果要优于多层Cu-MNBPS；热流密度大于130W/cm2时，多层Cu-MNBPS有更好的重新润湿能力，其传热效果要优于单层的Cu-MNBPS。.（3）研究了加工表面厚度对沸腾传热的显著影响效果。当热流密度较低时，存在最优厚度使得沸腾换热性能最佳。Cu-MNBPS的CHF随着的厚度增加而增加，且CHF比单纯的多孔铜烧结表面要更高。当Cu-MNBPS厚320μm时，其CHF可超过250 W/cm2。.（4）发现了Cu-MNBPS区别于一般多孔表面的重要特性：当壁面过热度到达一定温度后，其孔壁上的纳米尺度（亚微米）尺度结构形成大量的活化中心，其壁面过热度几乎不再随着热流密度的上升而上升。.（5）完成了平板热管、环路热管、蓄热器等有限空间传热器件内的性能测试。由于Cu-MNBPS大尺度的孔径可以减小流动的阻力、而小孔径可以增大毛细力，采用Cu-MNBPS毛细芯的平板环路热管可比采用10μm的铜粉烧结毛细芯的平板环路热管的蒸发器温度降低约10℃，热阻降低约1/3。.本项目已发表研究SCI论文3篇，EI论文3篇（包括1篇已接收），参加国际会议与国内会议各4次，其中获得第十四届全国热管会议优秀论文奖。已经毕业1个博士，1个硕士。