基于低表面能处理的微细通道电场强化纳米流体相变传热研究

Nanofluid phase change heat transfer in mini channel is enhanced by chaotic effect produced by periodic electric field in combination with decreasing surface energy through ion implantation technique to avoid nano particles adsorption deposition in channel wall.Liquid vapor interface dynamic model will be established by the relations between liquid vapor molecular transfer difference at the interface and bubble growth,effective electric field parameters for liquid micro layer enhanced evaporation will be obtained by investigating chaotic conditions of the model.Bifurcation theories will be used to study different buble movement patterns ,such as evolution progress of the dominant confined bubble and its relations with system dynamic properties.Soliton solutions to dynamic system will be studied, nonequilibrium statistical mechanics will be used to investigate the relations between phase change heat transfer coefficient,pressure drop,critical heat flux and exciting electric field parameters,nano particles concentration,bubble Confinement Number etc.Nonlinear feedback control method will be investigated to avoid heat transfer surface burning failure,electric field enhancement heat transfer efficiency will be analysed as well.This work will provide theoretical foundation for further applications of microscale nanofluid transfer principles in chemical engineeing, micro-electromechanical systems, biochemical engineering,aerospace etc.

利用周期电场对纳米流体产生的混沌作用强化微细通道纳米流体的相变传热，并结合离子注入技术降低微槽传热壁面的表面能，减少纳米颗粒在微槽传热壁面的吸附沉积。通过研究汽、液两相分子分别跨越汽液接触界面分子数量的差异与汽泡生长的动态关系建立汽液接触界面动力模型，研究该模型的混沌条件，从而获得强化液相微层蒸发的有效电场作用参数。利用分岔理论研究相变传热过程中汽泡可能存在的各种运动形态，如主流受限汽泡的演化模式及其与系统动态性能的关系，研究该动力系统的孤子解，结合非平衡态统计力学理论研究相变传热系数、两相流压降、临界热流密度与激励电场参数、纳米颗粒浓度、汽泡受限准数等参数之间关系，研究微槽传热壁面不烧毁的非线性反馈控制规律，并同时对电场强化纳米流体相变传热效率进行分析，为微细尺度纳米流体传递规律的研究在化学工程、微电子机械、生物化工、航空航天等学科领域的进一步发展提供理论支持。

研究了低表面能微细通道纳米流体在电场作用下相变传热机理，利用非线性理论研究了该传热模型的动力学特征。通过理论模型并借助实验获得了相变传热系数、两相流摩擦压降及临界热流密度与纳米颗粒浓度、微槽道尺寸、电场参数等参数之间关系。.纳米颗粒浓度超过6%时，在本项目开展的实验条件下的流动沸腾会发生严重的沉积现象，不仅会极大增大传热热阻，而且会阻塞槽道，增大压降。因此本项目主要研究低浓度纳米流体在微细通道内流动沸腾过程中的传热情况。. 分别配制了浓度为0.2%、0.5%、0.8%的Al2O3/R141b纳米制冷剂，并在壁面表面能为62.99mN/m的微细通道内进行了流动沸腾实验,对实验前后的槽道进行了扫描电镜分析，发现低浓度纳米流体也会发生微量沉积，且浓度越高，沉积加大，但总的来说，对于浓度低于1%的纳米流体而言，沉积量都是非常少的。实验结果表明，使用浓度为0.05%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%的Al2O3/R141b纳米制冷剂时，饱和沸腾区平均传热系数分别提高了37.6%、68.8%、54.8%、43.7%和34.3%，存在最佳的纳米添加浓度。另外，纳米制冷剂也能够使过冷沸腾起始点（ONB）提前，同时能提高临界热流密度（CHF）。实验结果说明，低浓度的Al2O3/R141b纳米流体的确可以起到强化相变传热的目的。. 以3种具有不同表面能的微通道为研究对象，R141b制冷剂为工质，进行流动沸腾试验, 相比于表面能为21.12 mN/m的微通道，表面能为84.16和62.99 mN/m的微通道传热系数分别提高了18.42%和9.28%，表面能较高的壁面具有更好的润湿性和更高的活化核心密度。对于Al2O3/R141b纳米制冷剂作为流体，电场可有效强化传热，在本项目实验条件下，增加外电场600V-1000V后,传热壁温出现明显的降低现象，并且响应速度非常快,有外加电场系统的混沌程度比没有外加电场系统的混沌程度更强烈，槽道尺寸越小，系统的混沌程度越高，混沌程度越高的系统对应的传热系数越大。. 换热壁面的表面能对流体在换热器流动沸腾的起始点、壁面的临界热流密度、相变传热性能等特性都有显著影响，项目研究工作对实际工程上微电子器件的散热、高效紧凑型换热器的开发具有一定的参考价值。