壁面微图案化对液体流动和传热传质特性的影响机制

Electronic chips and evaporative cooling (condensate) equipments in narrow space have high heat flux density. The project aims to increase the liquid evaporates and cooling rate in the wall. Composite conductive surface with inhomogeneous wetting characteristics will be formed by deposition of micro-patterned hydrophobic OTS film on hydrophilic FTO surface. This project takes the advantage of heat and mass transfer with a small temperature difference and micro fluid phase control technology. Besides, visualization and heat and mass transfer experiments, combined with ANSYS software VOF method and lattice Boltzmann simulation will be used to study fluid droplet deformation and non-uniform wetting film in micro-patterned surface evaporation and heat and mass transfer during the process, as well as the applied electric field the impact of the mechanism of the above process. Finally, relationships about heat and mass transfer will be summarized and the dynamic nature of science and the transfer process will be revealed. The establishment of the theoretical prediction model will be theoretical basis for droplet and film evaporation in the practical application. Implementation of the project will promote the further theory development of the liquid phase change cooling technology and the application of micro-liquid cooling control technology in industry. Therefore, this project has important theoretical and practical significance.

本项目在狭小空间高热流密度芯片及蒸发冷却（凝）设备散热需求的背景下，针对其小温差和小空间流动和蒸发传热传质的特点，以微流体控制技术作为散热的切入点，以液体在微图案化表面的流动及传热传质过程作为研究对象。在亲水性高电导性材料FTO薄膜表面涂覆微图案化的憎水性OTS薄膜复合形成导电非均匀润湿性表面，以改变液体在壁面的蒸发和散热速率，进一步在FTO玻璃表面外加电场来控制和优化液体在壁面的润湿特性，研究外加电场对流体在微图案化表面流动与蒸发传热传质的影响机制，采用实验、ANSYS Fluent-VOF法和格子Boltzmann模拟方法进行研究，总结传热传质关系式，揭示其动力学及传递过程的科学本质，建立理论预测模型，为滴状蒸发和膜状蒸发在实际应用中提供理论依据。项目的实施将促进液体相变散热技术和理论的进一步发展，为微液体控制散热技术在工业上的应用起到推到作用，具有重要的理论和实践意义。

针对电子散热和蒸发冷却（凝）设备散热中高热流密度、小温差和空间狭小的特点，本项目提出具有非均匀润湿性的微纳复合结构强化蒸发传热的科学构想。优化了具有非均匀润湿性的微纳复合新结构，结合了化学紫外光刻、化学沉积法、真空镀膜和阳极氧化法，在亲水性高电导性材料ITO/FTO薄膜表面制备了微图案化的憎水性薄膜，以及钛片超疏水后加亲水微结构复合形成非均匀润湿性表面，并建立结构与性能之间的定量表征，以改变液体在壁面的蒸发和散热速率；研究了微流体控制技术得到液滴形成和控制方法，以此为基础研究了液体在微图案化表面的流动及传热传质过程，采用理论分析、实验、ANSYS Fluent-VOF法和格子Boltzmann模拟方法，研究了液滴液膜在表面撞击、弹跳、铺展及蒸发过程的热力学和动力学特性，重点研究和得到了表面特性、液体组分、空气温湿度和速度对液体在表面上蒸发形态和蒸发速率的影响，结果表明表面微图案化可有效改变或控制液滴在表面的蒸发形态，可将液滴蒸发速率提高11.6% - 20.7%，探索了流体在图案化表面流动与蒸发传热传质的影响机制，初步建立了壁面微图案化对液体的流动与传热传质特性影响的理论模型。本项目提出的非均匀润湿性微纳复合结构强化蒸发传热具有较强科学创新性，为表面微图案化形成非均匀润湿化壁面及其强化蒸发传热传质过程提供理论依据，为其应用提供指导，并为蒸发传热的研究提供新视角。