基于全内反射的纳米结构表面池沸腾现象观测与传热机理研究

Boiling on enhanced surface is one of the hot topics for phase-change heat transfer enhancement. However, bottleneck of the mechanism analysis and the system performance improvement may be encountered because of the enormous influencing factors that lack comprehensive understanding and precise prediction of its transport process, especially for the bubble behavior or interface evolution in the microscopic structures. We propose in this proposal to study the liquid-vapor interface evolution and subsequently the influence of wettability on bubble behavior and pool boiling heat transfer over nanostructure surfaces, based on our previous investigation on the near wall visualization in the vicinity of thin liquid film region of the three-phase contact line and the study of the heat transfer characteristics of boiling on structured surfaces. The prism-based total internal reflection near-interface observation and the macroscopic visualization will be conducted simultaneously for details of wetting and interfacial transport characteristics at the different regimes of pool boiling on nanostructure. It is expected to explain the mechanisms of nanostructure effect on bubble dynamics, wetting process, and consequently pool boiling heat transfer utilizing the microscopic observation and molecular dynamics simulation of the liquid-vapor interfacial transport. Comprehensive pool boiling heat transfer models that fully concern the wettability and structure effects will be constructed and modified, in order to provide theoretical basis for controlling the transport characteristics at different boiling regimes on enhanced surfaces.

强化表面上沸腾传热是相变传热强化等领域的热点之一，但其影响因素众多，对其传递过程、尤其微观结构中气泡/界面的演变等仍缺乏深刻理解和精准预测，这成为机理认识和系统性能提高的瓶颈。本申请拟在前期关于三相接触线薄液膜区附近气液界面的近场观测以及结构表面上的沸腾传热等研究基础上，针对纳米结构中气液界面演变以及表面润湿性对气泡行为和沸腾传热的影响，运用基于棱镜全内反射的近场观测及协同进行的宏观观测技术，开展更为细致的观察，掌握池沸腾传热各阶段的润湿和界面传递特性，揭示纳米结构表面上气泡动力学和润湿过程以及池沸腾传热的影响机理，结合对气液界面传递的微观观测和分子动力学模拟，完善全面考虑润湿性和结构效应等关键影响因素的池沸腾传热预测模型，为强化表面沸腾传热各阶段传递特性的调控提供理论支撑。

本项目重点针对纳米结构和表面润湿性对沸腾传热的影响问题，运用基于棱镜全内反射的近场观测及协同进行的宏观观测技术，开展三相接触线附近薄液膜区气液界面以及纳米结构表面沸腾传热的细致观察，结合对气液界面传递分子动力学模拟，全面考虑润湿性和结构效应等因素以完善沸腾传热预测模型。本项目获得了如下重要结果和关键数据：(1)完成基于棱镜的全内反射近场观测系统设计和搭建；实现真空度为10~50kPa条件下对不同工质的附着液滴薄液膜区域的流场和界面结构观测，确定了薄液膜临界高度与真空度之间的关系以及分离压和薄液膜厚度关系。(2)完成纳米尺度自由薄液膜、附着薄液膜和受限薄液膜的比热容、导热系数和动力粘度模拟计算，阐明了尺寸效应、温度效应、界面效应和能量效应对纳米尺度薄液膜热物理性质的影响规律，形成了适用于不同构型薄液膜的热物性-厚度关系式。(3)完成了接触线附近薄液膜区和本征弯月面区的多组分耦合界面传递模型建立，阐明了实际溶液在不同浓度和温度下表面张力、饱和蒸汽压、密度以及其他相关物性参数的变化对界面形貌和传递特性的影响规律。(4)完成了润湿性、表面结构和边界条件影响薄液膜沸腾传热的分子模拟研究，阐明了润湿性对薄液膜在平面上快速沸腾传热特性的影响规律，获得了界面热导、临界热流密度随表面势能变化的无量纲关联式；阐明了纳米槽道结构对薄液膜快速沸腾界面热导、临界热流密度的影响规律，获得了后者随纳米结构表面粗糙度的变化关系；阐明了薄液膜高度和水力直径对快速沸腾起始时间、沸腾温度、热流量和界面热阻等的影响规律；阐明了混合润湿性纳米结构表面快速沸腾的热流密度随疏水性部分润湿性的变化规律；阐明了润湿性对Leidenfrost温度和膜态沸腾的影响规律。项目研究为强化表面沸腾各阶段传递特性的调控提供了理论支撑。项目研究执行结果主要反映在己发表或录用的21篇论文及参加的16场次学术会议中，培养研究生13名。