纳米颗粒对微狭缝中气液相界面演变与相变传热的影响机理研究

The limited understanding of liquid-vapor interface evolution and phase change heat transfer mechanisms in unique micro-scale configurations impedes wider applications of nanofluids. The present study concentrates on the fundamental issues of heat transfer enhancement using nano-fluids to further develop the theory of nanofluids phase change heat transfer in micro-scale flow passages. In the present study, the novel use of transparent heating enables high-quality visualization. With the aid of high speed photography, liquid and vapor distribution including the evaporation meniscus and flow patterns in micro-gap channels, i.e. high aspect ratio micro-channels will be captured. Simultaneous thermographic profiles of the micro-channels will be monitored via an infrared camera. Sink effect at the meniscus will be discussed. The synchronized liquid and vapor temperatures near the meniscus will be acquired. The present study aims to examine the effects of the wettability, surface tension, viscosity of the nanofluids on the interface characteristics, flow pattern transition and phase change heat transfer process. Moreover, a flow pattern map for nanofluids flow boiling is expected, the flow pattern transition criteria of which will be proposed. The phase change heat transfer mechanisms of nanofluids in the micro-channel will be elucidated. The corresponding evaporating thin film region model of nanofluids in the unique micro-channel geometry will be developed.

本项目围绕纳米流体在微通道强化换热中的基础科学问题，针对纳米流体在微狭缝，即大长宽比矩形微通道中气液相界面演变和相变传热机理研究的不足，旨在发展纳米流体微尺度相变传热理论。项目通过实验测量与理论分析，采用透明加热技术、高速摄影技术、红外测温技术和同步数据采集技术，获取狭缝中气液分布的高品质可视化结果，测量纳米流体蒸发过程中气液相界面处的微通道表面温度分布和界面上下气液温度，捕捉蒸发相界面处的热沉效应，通过分析纳米颗粒对流体性质的改变，力图揭示纳米流体微通道表面润湿性对相界面构型与稳定性，以及流型分布的影响机制，获取水平微狭缝中纳米流体流型图及流型判别方法和转换条件。结合流体表面张力和黏度、微狭缝截面尺寸，以及加热条件等的作用，明晰微狭缝中纳米流体气液相变传热机理，建立纳米流体薄膜蒸发区理论模型，为研究微通道纳米流体流动沸腾换热提供理论基础和数据支撑。

本项目围绕纳米流体在微小通道强化换热中的基础科学问题，针对纳米流体在微小通道中气液相界面演变和相变传热机理开展研究。项目开展了纳米颗粒对微狭缝中蒸发界面构型与稳定性的影响机理研究、纳米颗粒对微狭缝中流动沸腾流型分布与转换的影响机理研究和纳米颗粒对微狭缝中蒸发换热的影响机理研究，大部分计划内容已完成。另外，项目进展过程中完成了部分计划外的研究内容，包括纯净液体在微小通道中的流动沸腾换热实验研究和乙醇液滴在不同结构表面的润湿性和蒸发实验研究。通过已开展的研究，充分把握了微小通道内相变流动换热以及纳米流体强化传热的研究现状与发展趋势，获取了大量纳米流体在不同构型微小通道中蒸发和流动沸腾换热的实验数据，得到一系列结论，为微尺度相变传热理论的发展以及实验数据的扩充贡献了力量。在项目的支持下共发表科技论文20篇，其中SCI检索7篇，EI检索2篇，其他国际期刊1篇，国际会议论文6篇，国内会议论文4篇。项目执行期间培养了硕士生2名，博士生1名。