地球上朝下表面及空间微重力下的跨尺度池沸腾传热强化机理研究

Both pool boiling on inverted heaters in earth gravity and pool boiling in micro-gravity suffer from heat transfer deterioration caused by the difficulties of vapor venting and liquid replenishment. This project aims to investigate the multi-scale boiling heat transfer enhancement mechanisms on these surfaces. On macro-scale, new surfaces with separate liquid-vapor pathways and optimal vapor venting trajectories will be designed so as to avoid or postpone the occurrence of Helmholtz instability caused by the liquid-vapor counterflow resistance and significantly enhance the critical heat flux; On micro/nano-scale, micro/nano-porous structures will be adopted to enhance the nucleation site density and the lateral liquid replenishment, so as to further increase boiling heat transfer coefficients at low heat flux regions and the critical heat flux. Results of this project will guide the nuclear reactor safety design, development of space two-phase cooling systems and next generation ultrahigh heat flux cooling systems, having great academic significance and practical value.

常重力环境中(即地球上)的朝下加热面和空间微重力环境中的加热面均存在由于排汽及补充液体困难而导致的池沸腾传热恶化问题。本课题拟采用实验研究、理论分析和数值计算相结合的方法，研究这些表面上的跨尺度池沸腾传热强化技术及强化机理。在宏观尺度上，构造新的汽/液通道分离结构并进一步优化汽体排出路径，避免或延迟因汽/液逆流的流阻(Liquid-Vapor Counterflow Resistance)而导致的汽液界面Helmholtz不稳定性，从而显著提高加热面的临界热流密度；在微/纳尺度上，采用微/纳多孔结构和粗糙结构，提高沸腾成核点密度并强化液体向成核区的横向补充，以进一步提高加热面在低热流密度区的沸腾传热系数和加热面的临界热流密度。本课题的研究成果能指导核反应堆安全设计、空间两相换热系统的设计及下一代超高热流密度散热系统的设计，具有重要的理论意义和工程应用价值。

朝下加热面和微重力环境下的加热面均存在由于排汽及补液困难而导致的池沸腾传热恶化问题。在本项目中，我们采用实验研究、理论分析和数值计算相结合的方法，研究了这些加热面上的跨尺度池沸腾传热强化技术及强化机理。在数值研究方面：基于提出的格子Boltzmann方法汽液相变模型，对朝上/朝下表面沸腾汽泡动力学、沸腾曲线以及临界热流密度(CHF)现象等进行了直接数值模拟。模拟表明规则微柱阵列以及随机微纳多孔涂层可以显著强化朝下加热面的沸腾传热系数(HTC)和CHF，其中CHF可提升250%以上。实验研究方面：基于跨尺度沸腾传热强化机理，设计和加工了微管阵列以及微管、微柱交错阵列沸腾传热强化表面，并实验获得了沸腾汽泡动力学、沸腾曲线和临界热流密度。实验结果表明：微管、微柱交错阵列表面综合了微观尺度下的沸腾成核强化、薄液膜蒸发和毛细作用，以及宏观尺度下的汽液通道分离对加热面排汽和补液的促进作用，因而表现出最佳的沸腾传热性能。其沸腾传热系数和临界热流密度分别提升240%和130%以上。由于毛细补液作用等不受重力方向及大小的限制，这一工作可以有效改善由于排气及补液困难导致的朝下加热面和微重力下加热面的沸腾传热恶化现象。理论研究方面：提出了一个普适的成核点分布理论，并在此理论基础上，提出了一个考虑跨尺度传热过程及机理的CHF理论模型。具体来说，包括纳米-微米尺度汽泡成核、微米-毫米尺度单个汽泡生长以及毫米-加热面尺度的多汽泡相互作用机制等。模型不仅可以准确预测CHF，还首次实现了对CHF点所对应的过热度的预测。该理论综合考虑了各种跨尺度机理的影响，对朝下和微重力环境下加热面的沸腾传热强化具有重要指导意义。本课题的研究成果能指导核反应堆安全设计、空间两相换热系统的设计及下一代超高热流密度散热系统的设计，具有重要的学术意义和工程应用价值。