温度响应浸润性智能表面沸腾相变传热的机理研究

The heat transfer coefficient and critical heat flux are the two most basic parameters to characterize the heat transfer performance of boiling phase change. The existing research results show that the surface with different wettability can affect the above two parameters, but it is difficult to take into account their simultaneous improvement. The project aims to explore the "smart" materials to enhance the heat transfer, since the wettability of poly (ɛ-caprolactone) surface can change along with the temperature change. The visual experiment and numerical simulation methods will be used to carry out the research work. The bubble nucleation, growth, departure and the micro-liquid film at the bottom of bubble on the wettability surface are simultaneously measured by high-speed camera, infrared thermal camera and laser confocal displacement meter. The bubble nucleation and growth rule are revealed. In theory, a mathematic model describing the bubble nucleation, the thickness of the micro-liquid film and the dynamic change of the three-phase contact line on the wettability is established. The mechanism of nucleate boiling and film boiling are explored. The coupling relationship between the timing and trend of contact angle transformation and boiling curve is illuminated. The means which improve both heat transfer coefficient and critical heat flux are developed. The theoretical basis and design principles for the engineering application of "smart" materials is acquired.

传热系数和临界热流密度是表征沸腾相变传热性能的两个基本参数，表面浸润性的改变可以影响上述两个参数，但是同一浸润性条件难以兼顾两者的同步提高。本项目利用聚己内酯表面的浸润性具有温度响应的特性，探索“智能”材料用于兼顾传热系数和临界热流密度提高的传热方法。项目拟采用可视化实验和数值模拟相结合的研究方法，实验方面，综合利用高速摄像仪、红外热像仪、激光共聚焦方法，同步测量不同浸润特性表面汽泡成核、生长、脱离等相关的汽泡动力学特性和汽泡底部微液膜的瞬态变化过程，揭示不同浸润特性表面汽泡的成核、生长规律；理论方面，建立描述不同浸润特性表面汽泡成核、微液膜厚度及三相接触线动态变化过程的数学模型，探索浸润特性对核态沸腾及膜态沸腾的影响机理，阐明接触角转变时机和变化趋势与沸腾曲线之间的耦合关系，发展兼顾传热系数和临界热流密度提高的传热理论，为温度响应浸润性智能表面的工程应用提供理论基础和设计原则。

传热系数和临界热流密度是表征沸腾相变传热性能的两个基本参数，表面浸润性的改变可以影响上述两个参数，但是同一浸润性条件难以兼顾两者的同步提高。本项目研究温度响应浸润性智能材料用于兼顾沸腾相变传热系数和临界热流密度提高的方法，探索浸润特性的转换时机及变化趋势对沸腾曲线影响的规律。.采用耦合热力学一致性力学格式的格子Boltzmann模型，研究了浸润性对汽泡脱离直径、脱离频率、脱离形态、加热面温度分布、流体域速度分布等的影响，并分析了汽化核心的相互干涉情况。通过对经典沸腾理论的分析，结合温度调控浸润性响应方式，提出了温度-浸润性最佳的对应关系；在理论研究成果的指导下，探索制备温度响应浸润性智能调控表面的方法，建立适用于超高速显微摄像仪、CCD和宽视场体式显微镜相结合的可视化实验台，实验平台可进行温度场、流场、微气泡动力学行为的瞬态同步测量，在此基础上开展了气泡动力学特性的研究，对工质的动态润湿特性、微流场的分布、微液膜的瞬态变化过程进行了深入的分析研究。采用Gerris软件进行了微通道内部塞状流气泡的CFD模拟，精确获得实验中难以观察到的微液膜局部特性和瞬态流动特性。针对微液膜内的高强度相变换热过程，通过改进现有瞬态时域反射法（TDTR方法）实验台，精确测量了三相接触线附近微液膜的热流密度数据，发展和推动了微尺度相变传热的机理研究。.借助于理论研究成果，发展加速器制备同位素的高功率靶冷却技术、动力电池热管理技术、超薄热管技术（VC）、超临界流体毛细管换热器设计方法等，并进行推广和应用。.本项目通过实验和理论分析，采用温度响应浸润性智能表面实现了兼顾换热系数和临界热流密度同步提高的目标，研究成果有助于深入了解沸腾传热机理及调控机制，可为能源利用与转换效率的提高、热管理系统的性能和集成度的改进提供理论设计依据和优化方法，对于降低行业能耗，保障系统的稳定性和安全性，实现国家节能减排的战略目标具有重要的科学意义和工程应用价值。