纳米颗粒的接触角对纳米流体沸腾换热的影响机理研究

The contact angle of nanoparticles influences the morphology and wettability of the nanoparticle deposition layer during boiling of a nanofluid. On the other hand, suspended nanoparticles with certain contact angles trapped at the bubble interfaces would prevent bubble coalescence and affect the dynamic behaviors of boiling bubbles, and hence influence the boiling heat transfer of a nanofluid. This proposal aims to study the following effects of nanoparticle contact angles on boiling heat transfer of nanofluids by experiments and theoretical analyses: (1) investigating influences of nanoparticle’s contact angle on morphology of nanoparticle deposition layer, bubble departure, boiling heat transfer coefficient and the critical heat flux (CHF), as well as contributions of nanoparticle deposition layers and suspended nanoparticles on boiling heat transfer and CHF, respectively. (2) investigating collapse mechanisms of boiling bubbles with trapped nanopaticles in subcooling boiling, and the occurrence mechanisms of microbubble emission boiling (MEB). (3) developing a CHF model for saturated pool boiling of nanofluids based on the instability of critical wavelength theory.

纳米流体沸腾过程中，纳米颗粒的接触角影响着纳米颗粒沉积层的形貌和润湿性。具有一定接触角的悬浮纳米颗粒一旦吸附在汽泡界面会抑制汽泡合并和改变汽泡的动力学行为，进而影响着纳米流体的沸腾换热。本项目拟合成不同接触角和大小的纳米颗粒，制备稳定分散的纳米流体。采取实验观测与理论分析相结合的方法，开展纳米颗粒的接触角对纳米流体沸腾换热的影响机理研究：(1)研究纳米颗粒的接触角对纳米颗粒沉积层的形貌、汽泡脱离、换热系数和CHF等的影响作用；以及沉积层和悬浮纳米颗粒分别对沸腾换热和CHF的贡献程度；（2）研究不同过冷度下，吸附纳米颗粒的沸腾汽泡在过冷液中的破裂机制，以及微气泡喷射沸腾现象（MEB）的形成条件和机理；（3）基于不稳定临界波长理论，建立纳米流体饱和沸腾的CHF理论模型。

本项目通过实验与模拟相结合，研究了纳米颗粒的接触角对纳米流体沸腾换热的影响机理：（1）制备具有不同接触角的纳米流体，开展纳米流体沸腾换热实验、纳米流体液滴蒸发实验和单个沸腾汽泡周期性生长实验，揭示了中等亲水性纳米颗粒对沸腾汽泡合并的抑制机理、纳米颗粒接触角对纳米颗粒沸腾沉积层形貌的影响机理和对沸腾换热系数的影响机理：通过实验研究发现中等亲水性SiO2纳米颗粒在沸腾换热中吸附到了汽泡界面上，并延缓了汽泡之间的融合，使得从加热面上生成的气泡尺寸较小；中等亲水性的SiO2纳米颗粒由于吸附到了汽泡界面上，当气泡底部的微液层蒸发完全后，吸附在汽泡界面上的纳米颗粒会团聚成团聚体沉积在加热表面上，形成粗糙的纳米颗粒沉积层，增大了汽泡成核核心数密度。（2）采用等温格子Boltzmann方法两相流模型结合颗粒运动模型对单个颗粒与薄液膜之间的相互作用进行了研究，通过模拟直观展示了单个球形疏水颗粒导致液膜破裂的详细过程。实验研究了疏水性颗粒促进气泡破裂的过程，指出：加入疏水颗粒促进气泡和空气/水界面的碰撞，造成液膜半径和液膜厚度同时减小，液膜厚度减薄使气泡破裂时间减小；加入疏水颗粒后，气泡破裂高度增加，系统自由能减小，促进气泡破裂。（3）基于改进的Gong-Cheng相变格子Boltzmann模型，对饱和池沸腾进行研究，指出不同几何结构表面的沸腾特性与结构表面沸腾过程中的润湿面积比重相关，润湿面积占比越高，临界热流密度越高；通过对纳米流体进行冷冻铸造，制备了具有定向、梯度、双孔径孔隙的多孔介质，并将其应用于强化沸腾换热，阐释了不同多孔层参数对沸腾换热的影响机理。