多尺度微细结构表面调控沸腾传热热力学非平衡性的研究

Porous surfaces with uniform pore size can not satisfy the requirements for different scales for steam release and liquid suction, leading to a severe thermodynamic non-equilibrium to cause temperature excursion, flow and heat transfer instability and critical heat flux, etc. The multi-scale porous surfaces will be constructed, characterized and designed based on the topological optimization, which are consistent with the bubble dynamics principle for bubble release and liquid suction. They will be used as the enhanced surfaces for pool boiling experiments and evaporator surfaces for heat pipe experiments. The studies will be focused on the mechanisms of the reduction of the temperature at the onset of nuclear boiling, suppression of the flow and heat transfer, and increase of boiling critical heat fluxes. The studies will identify the match principle among the porous particle size, pore size, capillary size for vapor release and liquid suction. The mathematical model will be proposed in the porous regions in which bubble nucleation, growth and liquid suction takes place and vapor release regions respectively, based on the non-equilibrium thermodynamics. The Lattice Boltzmann method will be coupled with the finite volume analysis to perform the numerical simulation. The theory and experimental results will be validated mutually. The studies will identify the heat transfer enhancement mechanism using the multi-scale porous surface.

单一尺度的多孔表面由于无法平衡沸腾中蒸汽的溢出及液体吸入对尺度的不同要求，导致严重的热力学非平衡：启动过温、流动和传热不稳定性及临界热流密度等。本项目提出采用多尺度微细结构表面抑制热力学非平衡性。对符合沸腾传热气泡动力学原理的多尺度结构进行构建、表征、及拓扑优化设计。研究多尺度结构表面池沸腾传热，及采用多尺度微细结构制备蒸发器的回路热管的传热特性。重点研究并揭示多尺度微细结构减小沸腾起始点温度、抑制流动与传热不稳定性、提高临界热流密度等的规律及机理。研究多尺度微细结构沸腾传热中蒸汽溢出通道尺度与多孔颗粒尺度及孔隙尺度的匹配。基于非平衡热力学，分区建立多孔区及蒸汽溢出区，包含汽泡核化和长大、蒸汽溢出、及液体吸入的数学模型并运用基于格子Boltzmann的耦合多尺度有限容积法进行数值模拟。实验与理论相互验证,以揭示多尺度表面强化沸腾换热的机理。

项目从单一尺度表面无法平衡沸腾中蒸汽的溢出及液体吸入对尺度的不同要求，导致严重的热力学非平衡入手，采用多尺度结构表面来抑制热力学非平衡性，从多尺度制备、表征，多尺度表面池沸腾以及在热管中的应用等方面进行研究，创新性工作如下：.采用烧结方法制备了多尺度结构表面，进行了改性处理及表征。发明了一种尺度可调的微纳米多孔金属材料的制备方法。该方法对孔径尺寸、表面浸润性、比表面积等关键参数进行调控，可制备具有尺度可调的纳-微-毫多尺度结构，以适应不同相变换热装置的需要。. 研究了多尺度结构参数及外界环境等因素对池沸腾传热的影响。实现了蒸汽从“大”通道溢出及液体从微孔吸入的分离式流动，揭示出高低热流下气泡溢出模式，发现3D表面可将CHF提高到光表面的3.7倍，传热系数可达2-3倍。揭示出多尺度表面显著改善传热的主要原因。发现提高工质过冷度可显著提高超疏水表面的沸腾传热。可视化发现不同微观结构导致气泡脱离频率具有一定差异，薄而短的片状纳米结构表面具有较高的气泡脱离频率，强化传热效果较好。.利用解耦和协同策略构建了从纳米到毫米多尺度毛细芯热管，将热管分为毛细管压力、流动阻力、冷凝传热，并赋予特定的尺度来适应各个功能，实验验证了各种尺度的协同作用，克服了毛细压和蒸汽溢出间的冲突，可增大毛细管压力、减小流动阻力，减薄冷凝面的液膜厚度，利于蒸发和冷凝传热系数的提高。. 创新性将平板热管的底板制成多尺度微细结构表面，并将平板热管制作于热沉内部，通过在散热翅片内部构造诸多通道，使平板热管和热沉实现一体化，从而消除平板热管和散热片间的接触热阻，同时增大蒸汽冷凝面积，使整个散热片处于均温状态，大大提高平板热管的散热性能。该热管热效率可提高20%，温度降低20-30℃，重量降低50%。. 该项目共发表论文20篇（期刊16篇，会议4篇），(包括SCI论文4篇，EI论文7篇)，申请专利7项（获授权4项），培养硕士生4名，受邀参加国际会议1次，开展了广泛的国内外合作与交流。