具有疏水微纳结构的亲水表面蒸汽滴状冷凝传热特性研究

This project focuses on the prompt and efficient condensation heat transfer without external auxiliary power supply equipment under emergent condition in Passive Containment Cooling System, which is quite important nuclear safety equipment of water-cooled reactor. Therefore, heat transfer enhancement of water steam dropwise condensation on hydrophilic surfaces with micro-nano-scale hydrophobic structure, based on the underlying Surface Free Energy Minimum theory, is being studied. Water steam dynamics, including droplet and bubble dynamics, as well as quick dropwise condensation heat transfer, on the presented condensing surface is studied experimentally. A new mathematical and physical model arises to discuss and verify the importance of influencing factors in the process and the result in order to produce speedy condensation of Passive Containment wall. This research induces a possible solution to the problem of satisfying both nuclear technology development and public safety by improving the safety of the nuclear reactor with the technology of prompt and efficient condensation heat transfer without external auxiliary power supply equipment under emergent condition, which also contributes to the academic area of condensation heat transfer enhancement.

本项目针对核安全重要设备-水冷堆非能动安全壳冷却系统中的关键科学问题，即，反应堆在事故情况下无外界辅助动力装置驱动时的快速高效冷凝传热问题，研究水蒸汽（包括液滴和气泡）在具有疏水微纳结构的亲水表面上滴状冷凝的强化传热特性。它包括：基于最小表面自由能的基础理论，提出并构建一种耦合疏水与亲水特性共存的微纳结构冷凝表面；研究蒸汽在该冷凝表面上的动力学行为，及其快速滴状冷凝传热的规律与特性；研究与建立能描述蒸汽在该表面上冷凝传热强化的物理-数学模型；探讨影响该新型冷凝表面滴状冷凝强化传热的关键因素；寻求使非能动安全壳实现快速冷凝传热的技术方案。本项目是我国既要发展核能技术；同时又要维护公共安全中迫切需要解决的关键科技问题之一。研究成果不仅为确保核反应堆的安全运行，提供不依靠外界辅助动力装置的迅速传热的技术途径与科学依据；而且在强化冷凝传热的研究领域也具有学术意义。

本课题针对核安全重要设备-水冷堆非能动安全壳内表面和水冷堆蒸发器中汽水分离器内的液滴行为展开研究。主要得到以下结论：.（1）理论分析结果表明，在光滑壁面分别形成液滴和气泡所需的无量纲Gibbs自由能在180º的角度范围内互补，并且形成液滴所需的无量纲Gibbs自由能随着接触角的增大而增大；而形成气泡所需的无量纲Gibbs自由能则随着接触角的增大而减小。另外，在异质壁面上，液滴最终稳定存在的接触角在大于90°的角度范围内，而气泡在异质壁面稳定存在的接触角在小于90°的角度范围内。.（2）分子动力学模拟计算结果表明，沟槽结构的引入使得表面疏水性相对光滑表面增强；沟槽深度增加，接触角增大，但当沟槽深度大于一定值后，接触角不再随沟槽深度发生显著变化；沟槽宽度增加，接触角总体增大；一定条件下，沟槽深度和宽度的改变可导致润湿模式的转变；此外，将模拟结果与经典模型对比，发现接触角的变化规律与Cassie-Baxter理论符合较好，与Wenzel理论偏差较大。.（3）分子动力学模拟计算结果表明，液滴覆盖率随体系温度的升高和表面亲水性的减弱而下降；液滴在表面的迁徙范围则随体系温度的升高和表面亲水性的减弱而增大；体系温度降低、表面亲水性增强、表面结构间距增大，表面出现大液滴的几率增加；液滴的合并行为受到表面结构的影响，吸附在方柱结构相邻或相对侧壁的液滴相互吸引发生合并。.（4）液滴行为的冷态实验结果表明，不同撞击速度、不同亲疏水性固体材料壁面对液滴铺展直径D、液滴高度h等参数都有重要影响；同种速度下，亲水的石英玻璃壁面最大铺展直径D较大、铺展所需时间较长、回缩程度小，铺展后达到平衡状态的震荡周期数少，液滴高度h较小；同种固体表面，液滴撞击速度增大（0.94m/s-1.64m/s）时，最大铺展直径依次增大，液滴高度h从最低点回升直至平衡的震荡周期数依次减少，达到平衡的时间变短。.（5）建立基于拉格朗日-欧拉方法的气液两相流动数学模型，对汽水分离器中的气液两相流动特性进行了研究。计算结果表明，汽水分离器中液滴分离效率的计算值与冷态实验数据非常吻合，且压降计算值与冷态实验值变化趋势基本一致，验证了所建立液滴计算模型的正确性。