二元孔径新型多孔结构流动沸腾传热机理及特性的研究

Recently, with the rapid development of science and technology, high heat flux (100-1000W/cm2) cooling technology is demanded in quite a few fields especially in some cutting edge technology fields. To solve the development bottleneck in relevant fields caused by thermal problems, the heat transfer performance and critical heat flux (CHF) of flow boiling must be enhanced considerably, which becomes a challenging task in the subject of engineering thermophysics. In this project, based on the concept of “phase separation and modulation”, the traditional porous structure is improved, and a novel bi-porous structure is employed in the flow boiling heat transfer. The application of this novel bi-porous structure can actively adjust the liquid/vapor interface position, properly regulate the flow paths of liquid and vapor, and realize the synergy operation of liquid supply, vapor venting and heat transport from the heated surface to the liquid/vapor interface, which can effectively enhance the CHF and the boiling heat transfer performance. In this study, visual experimental method will be employed as well as necessary theoretical modeling and analysis. Through this study, the flow boiling heat transfer coefficient of this novel bi-porous structure will be obtained, and the mechanism of the flow boiling heat transfer and CHF of this novel bi-porous structure will be revealed, which will promote the high heat flux cooling technology to a new level in our country.

随着科学技术的飞速发展，许多领域特别是一些尖端技术领域对高热流密度（100-1000W/cm2）冷却技术提出迫切需求。为解决相关应用领域因热问题而出现的发展瓶颈，需大幅提高流动沸腾传热临界热流密度（CHF）及传热性能，是目前工程热物理学科具有挑战性的前沿课题。本项目基于“相分离与调制”的概念，提出二元孔径新型多孔结构应用于流动沸腾传热。通过应用二元孔径多孔结构以及设置蒸汽槽道，主动调节流动沸腾过程气液相变界面位置，合理规划蒸汽与液体的流动路径以及热流传输路径，实现流动沸腾过程液体供给、蒸汽逸出以及加热壁面向气液相变界面的有效给热三个关键环节的高效协同运作，达到显著提升流动沸腾CHF以及传热性能的目的。课题开展以可视化实验研究为主，辅以一定的理论建模与分析，最终获得二元孔径新型多孔结构流动沸腾传热系数，揭示其传热机理与特性以及CHF的物理机制，提升我国在高热流密度冷却技术领域的科技水平。

随着科学技术的迅猛发展，许多领域对高热流密度（100-1000W/cm2）冷却技术提出迫切需求，是目前工程热物理学科的国际前沿研究方向，备受相关领域学者及工程技术人员关注。为解决相关领域特别是一些尖端技术领域存在的高热流密度冷却问题，本项目基于“相分离与调制”的概念，提出二元孔径新型多孔结构应用于流动沸腾换热的解决方案，力求实现沸腾换热临界热流密度（CHF）以及传热性能的突破。项目组在广泛调研前人多孔结构制备方法的基础上，自行设计烧结模具，采用定量添加造孔剂的方法，通过选择合适的烧结参数，掌握了二元孔径多孔结构的烧结工艺，实现了二元孔径多孔结构的可控制备。鉴于沸腾传热的复杂性，项目研究以可视化实验研究为主。搭建可视化实验台，对二元孔径新型多孔结构的池沸腾以及流动沸腾传热现象进行直观观察，对其传热特性进行定量研究与分析。通过实验研究，获得了二元孔径新型多孔结构沸腾传热特性曲线，系统考察了相关参数（包括宏观结构参数和微观结构参数等）对二元孔径新型多孔结构沸腾传热特性的影响规律。实验结果证实，通过应用二元孔径多孔结构以及设置蒸汽槽道，能够主动调节流动沸腾过程气液相变界面位置，合理规划蒸汽与液体的流动路径以及热流传输路径，实现流动沸腾过程液体供给、蒸汽逸出以及加热壁面向气液相变界面的有效给热三个关键环节的高效协同运作，达到显著提升流动沸腾CHF以及传热性能的目的。本项目实现了二元孔径新型多孔结构流动沸腾传热CHF的突破（＞800 W/cm2），流动沸腾传热系数同光滑平板表面相比提高30-50%。同时，基于理论建模以及实验结果，对二元孔径新型多孔结构流动沸腾CHF的物理机制进行了探讨分析。项目研究对于推动我国高热流密度冷却技术的发展具有重要意义。