超声波与纳米结构耦合作用对脉动流动中气液界面以及传热的影响机理研究

Two phase flow and heat transfer has been widely utilized in the fields of thermal engineering, nuclear engineering, cryogenic engineering and other traditional industries as well as aerospace and microelectronics. Breakthrough of phase changer heat transfer can effectively improve energy efficiency and solve the heat dissipation problem of modern electronic components and systems. The liquid-vapor interface plays a key role in the heat transfer enhancement of two phase flow. Nanostructured surface can directly modify the wetting characteristics of surface, liquid-vapor interface, and nucleate site and density. Ultrasonic sound can directly affect the liquid vapor interface, bubble formation, growth, and collapse. The liquid-vapor interface can be controlled or tuned by the ultrasonic sound coupled with nanostructured surface. The objective of this proposed research is to investigate the effects of ultrasonic sound and nanostructured surface on liquid-vapor interface and heat transfer of an oscillating flow. Combined theoretical analysis and experimental investigation will be used to investigate all factors affecting the liquid vapor interface, nucleate site and density, frequency, and their effects on oscillating fluid flow and heat transfer. It is expected that a highly efficient cooling technology will be demonstrated.

气液两相流动和传热技术被广泛应用于热能动力、核电、低温工程等传统工业领域以及空间技术和微电子散热等高新技术领域。强化气液脉动流动和传热关键技术的突破可有效提高能源利用率和解决狭小空间内高热流密度的散热难题。气液界面对两相脉动流动和传热起关键作用。纳米结构会直接改变气液界面以及强化气泡成核和核密度。超声波会直接影响流体气液界面、微气泡的生长、收缩以及破灭。气液界面在超声波纳米结构耦合作用下将会极大强化其脉动流动和传热。本项目将对超声波纳米结构耦合条件下对气液界面和传热机理以及对脉动流动和传热的多因素协同强化作用机理进行研究，尝试建立可以考虑各种强化因素的物理数学模型，结合实验研究，全面认识超声波作用下纳米结构表面对气液界面、气泡成核、成核密度、成核频率，以及脉动流动和传热过程的多因素耦合作用机理。在此基础上，探寻强化气液两相脉动流动和传热的应用技术，为进一步研发高效散热技术开辟新的研究方向。

气液两相流动和传热技术被广泛应用于热能动力、核电、低温工程等传统工业领域以及空间技术和微电子散热等高新技术领域。强化气液脉动流动和传热关键技术的突破可有效提高能源利用率和解决狭小空间内高热流密度的散热难题。气液界面在超声波纳米结构耦合作用下将会极大强化其脉动流动和传热，但由于该过程影响因素很多，传热机理及其复杂，因此，本项目采用理论与实验研究相结合的方法，完成了如下研究工作：实验研究了不同频率（单/双频率）超声波作用下脉动热管内气液两相脉动流动及传热性能。超声波能有效的强化脉动热管内的气液两相脉动流动和传热，相比于单频率超声波，双频率超声波会进一步提高超声波的强化效果，其强化效果与超声波频率、水浴温度、加热功率等因素有关。对不同频率（单/双频率）超声波对微通道内气液两相脉动流动进行了可视化实验研究，探究了超声波频率对脉动流动液塞内部气化成核的影响。超声波会促进脉动流动中液柱内部的气化成核。双频率超声波会激发更多气化成核点，从而进一步促进液柱内部的气泡形成。制备出几种长期稳定并能够强化气液两相脉动流动和传热的新型纳米结构。利用流体的动量守恒方程和蒸气宏观流动方程，建立了宏观流动影响下的细薄膜蒸发传热理论模型，研究了宏观流动对细薄膜蒸发传热的影响。宏观流动会极大地阻碍细薄膜蒸发，且热通量会随着过热度和调节系数的增加而增加。基于动量守恒，充分考虑分离压力、液体蒸汽界面的压力差以及界面和蒸汽压力之间的压力差，建立了热毛细影响下细薄膜蒸发传热理论模型。热毛细流影响薄膜区域的薄膜厚度，热通量，界面温度和液体流动，这取决于过热度。采用VOF模型研究了纳米结构表面气液两相脉动流动，分析了液塞的气液界面和内部涡流对传热的影响。接触角越小，涡流越容易产生，且涡流范围越广。本项目的研究结果对探寻强化气液两相脉动流动和传热的应用技术具有极大的参考价值，为进一步研发高效散热技术开辟新的研究方向。