超急速爆发沸腾微观机理分子动力学研究

Ultrafast explosive boiling is the abnormal boiling phenomenon in laser surgery, laser cleaning, cooling of high power electronic components and MEMS systems. Exploring its related fundamental scientific problems is crucial for the key technology development of such industry field. This project will carry out research on microscale mechanism of ultrafast explosive boiling, adopting molecular dynamics simulation as the study methods. The focus lies in the microscale mechanism on the vaporization of nanocale thin film and bubble nucleation inside the liquid in the condition of high temperature rise rate. With the support of the simulation of the vaporization of thin films on the nanostructure substrate with different hydrophobicity, the influence of nanostructure, hydrophobicity and temperature rise rate on the boiling heat flux, vaporization rate, geometry and dynamics properties of new bored liquid droplet, the attached thin liquid films will be revealed. Besides, the studies of temperature rise rate, nanostructure substrate with different hydrophobicity and roughness effects on the condition, position, divorcement and growth of bubble nucleation will be conducted, the growth rate of nanoscale bubble nucleate and nucleation rate will be calculated. Based on the two aspects, the theoretical model of nanoscale ultrafast explosive boiling will be established to enrich the theoretical exploration in the microscale effects of boiling heat transfer.

超急速爆发沸腾作为激光手术、激光清洗、高功率电子元器件冷却及MEMS系统中的典型超常规沸腾现象，对其所涉及的科学问题探索对相关工业领域的关键技术开发具有重要价值。本项目拟开展超急速爆发沸腾微观机理进行研究，采用分子动力学模拟手段，着重于高温升速率条件下薄液膜汽化及液体内部汽泡成核过程的微观物理机制。通过对亲疏水性纳米微结构表面上薄液膜汽化过程的模拟，探明纳米微结构特征、亲疏水性及温升速率对薄液膜沸腾传热量、汽化率、新生成液滴几何及行为特征、附着薄液层等微观汽化规律的影响。在此基础上，针对液体内部汽泡成核过程进行模拟，研究温升速率、加热表面纳米微结构特征及粗糙特征对汽核形成条件、汽核形成位置、汽核脱离及生长过程的影响，计算纳米汽核生长速率及成核率，阐明汽泡成核微观行为特征，初步建立纳米尺度超急速爆发沸腾微观理论模型，以期丰富沸腾传热微尺度效应的理论探索。

超急速爆发沸腾作为激光手术、激光清洗、高功率电子元器件冷却及MEMS系统中的典型超常规沸腾现象，对其所涉及的科学问题探索对相关工业领域的关键技术开发具有重要价值。本项目建立了适用于超急速爆发沸腾模拟的壁面温度控制模型。成功使用了Langevin温度控制法，壁面金属原子力场使用了与流体相同的Lennard-Jones势，避免采用了复杂的嵌入式原子势。研究结果表明，本项目建立的基底模型对于研究基底上的液膜爆发沸腾行为是有效的。同时，本项目确定了氩纳米薄液膜发生超急速爆发沸腾所需的壁面纳米结构几何特征、润湿度及温度条件，分别考察了不同基底条件下的液膜脱离温度、新生成气核生长特征、固体壁面极薄液体附着层特征的规律，得到了纳米尺度下薄液膜超急速爆发沸腾微观特征。另外，本项目分别研究了光滑壁面、带有空穴、纳米突起、纳米微结构特征及润湿度不均匀等基底情况下纳米微结构形状、尺寸及亲疏水性对壁面处纳米薄液膜超急速爆发沸腾行为，研究了固液间热流密度、液膜脱离温度、极薄液膜附着层及新生成气核特征，得到了纳米微结构、亲疏水性对薄液膜超急速爆发沸腾的影响规律。最后，本项目通过对粗糙表面汽泡成核的分子动力学，考察表面过热度、液体主流区温度及表面几何特征对汽泡成核率及生长速率的影响规律，得到了液体原子逃逸主流区到蒸汽区的条件。通过力场参数对沸腾特征影响的研究，得到了壁面不同润湿度条件下的沸腾过程，得出了分子力场对超急速爆发沸腾汽泡成核过程的影响规律。本项目对于强化纳米结构表面核态沸腾、抑制高过热度条件下的爆发沸腾均具有巨大的应用价值，为进一步研发沸腾相变散热技术提供了研究参考。