纳米结构表面喷流沸腾临界热流密度的实验和理论研究

最大热流密度一直是传热学领域一个重要研究目标,在各种稳态传热方式中，喷流沸腾是提高最大热流密度的最有效传热形式。本研究目标之一是在各种纳米结构形成的超亲水传热面上，将实验获得的最大热流密度增加到接近理论极限值，这在实验传热学上将是一个突破性进展，达到一种指标性成果。另一个重要目标是通过选用不同的纳米结构传热面独立地控制表面固液接触角和粗糙度，研究表面特性对喷流沸腾换热特性和临界热流密度的影响。同时也通过实验对喷流沸腾进行可视化观察，确定极限条件下的气泡动力学现象。在实验基础上，从理论上将描述池内沸腾危机的干斑理论扩展到喷流沸腾领域，建立适用于喷流沸腾危机的数学模型并进行数值计算，揭示滞止区内水喷流沸腾的临界热流密度与各物理参数之间的关系，建立针对喷流沸腾的临界热流密度理论。

喷流沸腾是提高最大热流密度的最有效传热形式，本研究目标是在各种纳米结构形成的超亲水传热面上，将实验获得的最大热流密度增加到接近理论极限值。通过选用不同的纳米结构传热面独立地控制表面固液接触角和粗糙度，研究表面特性对喷流沸腾换热特性和临界热流密度的影响。从理论上建立适用于喷流沸腾危机的理论模型，揭示滞止区内水喷流沸腾的临界热流密度与各物理参数之间的关系，建立针对喷流沸腾的临界热流密度预示公式。. 首先，本研究结合薄液膜底层的Helmholtz失稳理论和喷流沸腾加热表面气泡造成的湍流扰动现象，首次提出了一个适用于光滑面上过冷喷流沸腾临界热流密度（CHF）的圆柱形喷流和细长喷流的理论模型，在简化的传热学和流体力学模型下得到了一个可以将物性，传热学条件和流体力学条件都包括进去的临界热流密度预示公式。对其传热面纳米特性表面固液接触角的影响通过大量试验研究获得普适性的公式常数，最终建立了完整和简捷的全系统预示公式。.本研究通过各种物理，化学以及电化学方法在铜，铝，不锈钢和镍金属表面沉积和制备了纳米结构传热表面。其中有代表性的是采用食人鱼溶液表面羟基化方法制备SiO2纳米结构亲水薄膜。同时，用在亲水表面基础上进行完成疏水分子组装的方式制备疏水面。这些纳米特性表面的表面粗糙度基本保持相同，而固液接触角可以任意调节，这种换热面为理论研究建立了实验基础，同时也使得极限热流密度的实际工程应用可以实现。.以往的自由区喷流和滞止喷流沸腾研究中喷流速度都比较低，不超过10m/s，本研究扩大了流速范围到50m/s。实验发现高速喷流和低速喷流的不同，CHF和流速以及液体过冷度之间关系十分复杂，存在复杂耦合关系，并通过简洁的理论简化方法预示这种变化规律。.本研究对亲水和疏水特性的2种纳米特性表面，使用圆柱喷流，细长窄缝和短粗窄缝3种喷嘴和传热面几何条件，对具有不同传热面形貌和固液接触角的传热面上高速水喷流沸腾的沸腾临界热流密度进行了系统的稳态实验研究，重点考察了喷流速度，过冷度，传热面固液接触角以及喷嘴几何条件对临界热流密度以及传热系数的影响。通过研究整理实验数据，对饱和液与过冷液高速喷流沸腾换热系数和临界热流密度的理论关系式进行了综合验证，扩展和改进了理论方程，使理论公式扩展到高流速范围和广泛的固液接触角和喷嘴几何范围。