外加电场与表面形貌的耦合作用对池沸腾换热的影响机理研究

Active technique (EHD) and passive technique (surface geometry) will be integrated to enhance the pool boiling heat transfer. The compound effect of EHD and surface geometry in pool boiling will be investigated experimentally，analytically and numerically. The research will focus on: (1) Based on Gibbs free energy and availability, a physical and mathematical model of the critical bubble radius during heterogeneous nucleation under electric field will be provided, taking into consideration micro-structure of the surface and wall temperature gradient of the superheated liquid boundary layer. (2) Pool boiling experiments under electric field will be conducted, aiming at illustrating the effect of surface geometry parameters, such as fractal dimension and characteristic length scale using 3D fractal analysis for the rough surface. (3) The single bubble dynamics under electric field on smooth or micro-structure surfaces will be numerical simulated using lattice Boltzmann method, in order to clarify the effects of fin height, width and space distance on micro-structure surface on the redistribution of electric intensity and bubble growth. (4) Through pool boiling experiments on micro-structure surfaces with parallel fins under electric fields, the arrangement of fins on heated surfaces will be optimized to enhance nucleate boiling heat transfer.

本项目将有源技术（电场）与无源技术（粗糙度）相结合，为探讨电场和表面形貌的耦合作用对池沸腾换热的影响机理，拟开展以下研究：(1)基于Gibbs自由能和成核功的热力学分析，考虑粗糙表面形貌和壁面温度梯度的影响，建立电场作用下沸腾汽泡成核的临界半径和临界热流密度的物理和数学模型；(2) 对粗糙表面进行分形分析和三维定量表征，开展电场作用下各向同性分形粗糙表面的池沸腾实验研究，揭示表面形貌参数（分形维数、特征尺度系数等）对沸腾换热的影响规律；(3) 采用LB方法模拟电场作用下单个沸腾汽泡的动力学特性，阐明规则微结构表面上肋片高度、宽度和间距等对电场强度分布的重组和对汽泡生长的作用机理；(4) 开展电场作用下具有多根肋片的规则微结构表面上的池沸腾实验研究，确定肋片在加热表面上的布置方式，实现沸腾表面的优化设计。

外加电场和粗糙结构是强化沸腾换热的重要方式。本项目分别采用理论、实验和数值模拟方法，系统地研究了外加电场和粗糙结构对池沸腾换热的影响。（一）理论分析方面：（1）基于非平衡热力学理论，推导得到电场作用下非均相成核Gibbs自由能变化及可用能变化。分析发现成核临界半径及成核能量壁垒随着外加电场的增强而增大，沸腾成核变得更加困难。（2）基于力平衡，考虑微/纳结构对毛细作用力及临界波长的影响，建立了粗糙表面的CHF预测模型。发现增大临界接触角，提高固体分数，可增强毛细作用力以及减小临界波长，从而提高CHF。（二）实验研究方面：（1）研究微/纳尺寸粗糙度对池沸腾换热的影响作用，发现在低热流密度区域，微结构可以促进汽泡成核，而纳米结构促进汽泡脱离；在高热流密度下，纳米结构表面不易出现汽柱，汽泡合并现象较少，从而提高了沸腾换热系数及临界热流密度。（2）采用针状电极的布置形式研究了单个沸腾汽泡的动态特性。发现随着电场强度的增加，汽泡成核的等待时间增加，脱离频率和脱离直径减小。（3）用激光干涉法研究了电场作用下竖直壁面弯月面的蒸发特性。施加电场后，弯月面的蒸发面积增加，接触角减小，导热热阻减小，从而促进了微液层的蒸发。（4）研究电场强化肋表面的沸腾实验中发现，当加热面肋高较低时，电场在低过热度区和高过热度区强化换热，在中过热度区恶化换热；当加热面肋高较高时，电场仅在低过热度区有强化换热作用。（三）数值模拟方面：（1）LB方法模拟了粗糙结构加热面上汽泡成核、生长和脱离的过程。发现增加凹坑的宽度和深度可以增大汽泡脱离直径和脱离频率，疏水性表面有利于汽泡的成核，亲水性表面能够减小汽泡的脱离直径；（2）LB方面模拟计算了电场作用下弯月面的蒸发特性，表明电场的作用能促进弯月面的蒸发。通过本项目的研究，深化了对于外加电场及表面形貌对池沸腾影响的理解，同时为利用这两种方式强化沸腾传热提供了理论支持。