基于外场协同作用复杂润湿表面微细通道相变传热优化与流型拓扑结构调控研究

Due to the synergistic action between acoustic field and electric field, the order parameters are generated to control the flow field topological structure and then to enhance boiling heat transfer in the mini channel. The hydrophilic/hydrophobic complex wettability heat transfer surfaces with mini cavity array are fabricated by 3D printing technology, with the regulation of surfactant on the characteristic of the liquid-vapor interfaces, to optimize the length-diameter ratio of confined bubble, namely, the average size and distribution density of bubble equilibrium radius. Considering the effect of acoustic field and electric field on the tension of the liquid-vapor interface, the interface dynamic model of confined bubble in mini channel is established by investigating the diffusion difference between vapor molecules and liquid molecules on the interface, and the optimal conditions of the confined bubble equilibrium radius are obtained by the universal unfolding theorem of singular bifurcation theory. To study aggregation state and self-organization behavior of vapor bubbles, the dynamic model of bubble cluster is established by analyzing the effect of acoustic field on the Bjerknes force among the bubbles and the effect of electric field on the stability of the bubble. The boiling heat transfer performance is enhanced by controlling the bubble flow regime topological structure. The relationship between phase change heat transfer performance and acoustic field parameters, electric field parameters, surfactant concentration and heat transfer wall structure will be studied as well, this work will provide theoretical foundation for the further applications of micro/mini-scale nanofluid phase transfer principles in the high-tech fields, such as chemical engineering, gene chip engineering, aerospace etc.

利用声场与电场协同作用产生序参量以调控微细通道流场拓扑结构进而达到强化相变传热的目的，结合3D打印技术制造亲疏水复杂润湿微观凹腔阵列传热表面，并通过表面活性剂对汽液界面特性的调控，优化微细通道相变传热过程中受限汽泡长径比即平衡半径的平均大小和分布密度。考虑声场、电场对汽液界面张力作用，通过研究汽、液两相分子在汽液界面的扩散差异，建立微细通道受限汽泡的汽液界面动力模型，利用奇异分岔理论普适开折原理，获得受限汽泡平衡半径的优化条件。利用声场对汽泡群的Bjerknes力作用及电场对汽泡的稳定等作用，建立汽泡群的生长动力模型，研究汽泡群聚状态与自组织行为。通过对微细通道相变传热汽泡流型拓扑结构的调控，优化相变传热。研究相变传热性能与声场参数、电场参数、表面活性剂浓度及传热壁面结构之间的关系，为微细尺度纳米流体相变传递规律在化学工程、基因工程、航空航天等高科技领域的进一步发展提供理论支撑。

随着微电子机械系统、大功率器件等高新技术发展，微尺度热质输运问题亟待解决，发展强化微细通道相变传热新技术变的更加迫切。本项目研究了相变传热过程中核化点密度、气泡脱离频率与直径、临界热流密度等性能与亲疏水相间条纹及微观凹腔阵列等表面结构特征的关系，获得了利于强化流动沸腾传热的润湿表面结构，本项目设置的多种凹腔阵列参数中凹腔孔径最大、凹腔分布密度最多的微细通道传热性能最优，低热流密度工况沿工质流动方向先疏后密的阵列方式强化效果更好，高热流密度工况正好相反。建立了声场和电场协同作用下微细通道受限气泡界面运动方程，研究了表面活性剂种类及浓度、纳米颗粒种类及浓度、微细通道表面结构、声场、电场对微细通道内流动沸腾传热特性的影响，获得了可有效强化传热的表面活性剂的类型及浓度和不同种类纳米颗粒最佳浓度，在本项目研究的不同类型及浓度的表面活性剂纳米流体，添加0.2wt%SDBS的纳米流体传热性能最优，石墨烯/R141b纳米制冷剂的最佳浓度为0.025%，TiO2/R141b纳米制冷剂的最佳浓度为0.2%。研究了微细通道核态沸腾气液两相流场的拓扑结构与超声场、电场等参数之间的关系，在本项目研究参数范围内，有效强化沸腾传热的最佳电场电压为800V，最佳电场与声场协同参数为电场电压800V,超声波频率23 kHz、超声波功率50W，与无外场作用相比，强化因子最大可以达到2.24。`研究了电场与超声场单独作用、协同作用对流动沸腾贝蒂数β和气泡半径的概率分布影响及其与传热强化的关系，在相同工况下，电场与超声场协同作用时β0平均值为13.35，明显大于单独电场（11.5）和单独超声场（11.57），协同作用时窗口内最大概率气泡半径和受限气泡长径比平均值分别为0.195mm、1.455，明显小于单独电场（0.252mm、1.657）和单独超声场（0.261mm、1.90），传热得到显著强化。本项目研究内容为多物理场协同强化微细通道内流动沸腾传热研究奠定了重要的相关基础，可为解决电力电子等设备的高热流密度散热问题提供理论指导，因而本项目具有一定的科学意义。