亲疏水性多孔金属表面固定核化中心、调控沸腾形态强化相变传热的机理研究

Heat enhancement is a very important question of daily life especially in compact heat exchanger, nuclear reaction and turbine. Exchanger structure optimization can improve the boiling heat exchange performance and decrease the degree of superheat. While, porous metal have many advantages such as a large contact area, high nuclear sites density, a big capillary force which characters can be used to boiling enhancement. In this propose, porous metal was prepared by sintering metal particles coupled with hydrophobic and hydrophilic treatment to control boiling bubble size, departure frequency and the location of nuclear sites. Base on the analysis of experiment and mechanical simulation a comprehensive model focus the relationship of structure parameters and wettability of porous metal between boiling performance is built. This is a multidisciplinary study - materials, heat transfer and physics - where absolutely a significant principle on efficient and safe boiling exchanger will be build.

强化传热是传热领域的一个重要课题，对于工业生产中一些微型紧凑热交换器，核反应器，燃气涡轮等高热量部件，沸腾相变过程是其常见换热方式。优化沸腾表面结构，可显著提高核态沸腾传热效率并减小对应的沸腾过热度。而近年来火爆的多孔表面不仅可以提高与液体接触表面积，还由于表面密集核化中心可以产生蒸汽空穴，微小孔隙能够提供较大的毛细作用力促进液体及时补充，从而影响沸腾流型。本文提出利用颗粒烧结多孔结构结合局部亲疏水性改性，固定核化中心、调控沸腾流型，降低气泡脱落直径，加快气泡脱落频率；从而调控核沸腾流型，强化其传热效率。结合实验和Boltzmann模拟计算结果，建立多孔结构以及多孔内部亲疏水性与沸腾气泡尺寸、脱落频率以及传热性能之间的关系；并拟合无因次方程，完善沸腾传热模型。本项目属于多学科交叉领域，将新型材料的制备与改性引入沸腾传热过程，既促进了学科的交叉，并为新一代高效、安全沸腾传热表面提供理论基础。

本项目基于沸腾换热的物理过程，提出利用微结构耦合浸润性共同调控核态沸腾的成核位置、成核密度、沸腾气泡的脱离直径、脱离频率，甚至在沸腾气泡脱离后利用微结构的毛细力影响附近液相流场，实现调控相界面运动、强化沸腾相变换热的目的。项目首先制备不同浸润性能的复杂多孔微结构表面，考察了超亲水、超疏水以及局部亲疏水性对气液界面的调控性能；并通过实验与数值模拟相结合的方法验证了微结构对沸腾动力学过程及特征参数的调控及强化规律；设计并对比了局部浸润性、梯度浸润性以及突变浸润性微结构表面的强化效果，结果证明微结构顶部亲水耦合侧壁梯度亲水表面强化效果最佳，而人为突变浸润性的应用前景较大，有待进一步研究。本项目结合冷态可视化实验研究、数值模拟以及传热实验研究几个方面，全面获得了微结构、浸润性对沸腾过程的调控规律，丰富了两相流学科及微结构强化传热领域的基础数据和规律，为高效相变传热技术领域提出一种新强化手段，具有显著的科学价值和社会意义。通过本项目的进行，授权5项发明专利，通过实审阶段发明专利2项；发表21篇国内外学术论文，其中5篇SCI，9篇被EI检索，6篇会议论文；出版十三五规划教材专著1本；培养6名研究生，2名顺利毕业，2名即将毕业，2名在读。