微细化沸腾及其形成机制研究

Micro-Bubble Eimission Boiling(MEB) is a special phenomenon occuring in transtion boiling with a extremely high heat flux, and has a great perspective in the cooling of high speed chip, miniature cooiling system and the cooiling of high power semiconductor as well as reactors. Research regarding MEB, most of which was conducted in Japan, is still sporadic and has not yet formed complete theory. On the improvement of the design of heating element in experimental system for MEB and overcoming frequently cracking of heat insulation sheath, research will be conducted on MEB under the conditions of pool boiling and flow boiling. Excepting the effect of subcooling and flow rate, research will be focused on generation conditions and process of MEB as well as its noise, flow and heat transfer characteristics. Based on fully studying of MEB, a specially designed system for exploring the effect of thermo-capillary wave on MEB will be set up, by which transfromation of a single bubble under ultrasonic can be oberved. Combining the experimental and numerical results, it is expected that the generation mechanism of MEB as well as its high heat transfer capacity will be clarified. Methods for judging the occurrence and calculating flow and heat transfer of MEB will be given finally, consequently forming a relatively complete theory about MEB.

气泡微细化沸腾（MEB）是发生在过渡区的一类特殊现象，可以获得比CHF点更高的热流密度，在高速电子芯片冷却、小型冷却系统、大功率半导体芯片和反应堆冷却等诸多方面都有很好的应用前景。关于气泡微细化沸腾的研究还比较零散，主要是日本的学者进行过初步研究，没有形成比较完整的理论体系。 本项目通过改进以往MEB试验系统中加热部的设计、解决大多数系统中经常发生隔热套破裂问题的基础上，将对池沸腾和流动沸腾两种情况下的MEB现象进行研究。除了研究过冷度和流量等因素的影响外，着重对MEB发生条件和过程、噪声特性、流动和传热特性进行研究；在充分研究MEB现象基础上，设计专门的系统，研究单个气泡在超声波作用下的变化过程，结合数值分析的计算结果，分析热毛细波在气泡微细化过程中的作用，阐明MEB产生机理和具有极高传热能力的原因；给出MEB发生的判定方法和流动与传热计算方法，形成比较完整的关于MEB的基础理论体系。

沸腾现象是一种高效的相变换热方式，广泛存在于工程领域中。强化沸腾换热能力以及提高临界热流密度一直是热科学领域的研究热点。气泡微细化沸腾（MEB）是一种具有超高强度换热能力的沸腾过程，是未来解决航空发动机、电子芯片、紧凑型核反应堆等高发热设备散热瓶颈问题的有效途径之一。目前MEB现象相关研究尚处于初步阶段，其影响因素等方面的研究还不完善，MEB形成机理并不清楚。因此，本项目对MEB现象及其形成机制进行了系统的试验换热理论研究。.项目组先后搭建了池式MEB、流动MEB以及气泡凝结三套试验装置，用于MEB的试验和机制研究。基于池式和流动MEB研究发现：当过冷度超过20 K时，MEB剧烈发生，加热面上形成的气膜剧烈破碎，并伴有微气泡喷射过程；气膜破碎频率随热流密度升高而升高，通常可达100 Hz以上，远高于核态沸腾。综合气泡破碎与换热的关系以及凝结作用和Marangoni效应，给出了MEB时无量纲换热关联式。基于声信号的频域分析表明，MEB时剧烈的沸腾噪音可能是由气泡破碎和蒸汽体积波动引起的。在气泡凝结试验中发现，当过冷度超过20 K、蒸汽流量超过0.74 m3/h时，气泡凝结过程会出现与MEB类似的气泡破碎和微气泡喷射现象。气泡破碎前，其表面通常会形成波数相对较高的毛细波；进一步基于球面线性不稳定性分析发现，较高过冷度下，剧烈的质过程会触发Landau-Darrieus不稳定性导致气泡表面毛细波形成，强化凝结换热，进而触发Birkhoff不稳定性，导致气泡破碎成大量微气泡。通过FLUENT软件计算发现，MEB时蒸汽气膜附近存在特征速度远大于自然对流的Maragoni对流过程。Maragoni对流通常随过冷度和过热度升高而增强，在MEB现象形成及传热过程强化等过程中起到了关键作用。