微纳复合结构表面复合相变强化传热的研究

The main purpose of this study is to reveal the liquid wetting, dryout，three-dimensional flow characteristics and the combined phase-change heat transfer enhancement mechanism of evaporating heat transfer in the extended thin liquid film region and boiling heat transfer in the intrinsic meniscus region in the heat sink with micro-nano composite structures.In experimental studies, the three-dimensional flow field, fluid temperature and vapor-liquid interface temperature in the heat sink with micro-nano composite structures will be measured by micro particle image velocimetry (Micro-PIV).The wall temperature of the heat sink will be measured by infrared thermoviewer.By ultra-high speed microscope photography, micro bubble dynamic behaviors, solid-liquid-vapor triple-phase contact line characteristics,liquid wetting and dryout characteristics will be disclosed. In theoretical studies, a theoretical model for the micro bubble growth influenced by micro/nano scale effects in the heat sink with micro-nano composite structures will be proposed. And, a theoretical model for flow, evaporation and boiling combined phase-change heat transfer enhancement under this condition will also be built. Then numerical investigations on micro bubble dynamic behaviors, fluid field and temperature field in the heat sink will be conducted.

本研究旨在揭示微纳复合结构表面热沉内的液体润湿、干涸和三维流动特性以及三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜蒸发和厚液膜区域里的液体核态沸腾的复合相变强化换热和发生临界热负荷的具体机理。在实验方面，利用Micro-PIV 粒子图像测速与测温技术进行微纳复合结构表面热沉内三维流场和流体及汽液界面温度的测量；利用高精度红外热成像显微测温技术进行热沉壁面温度的测量；利用超高速显微摄影技术进行微气泡动力学行为、三相接触线特性、润湿与干涸特性的测量。在理论方面，建立考虑微纳尺度效应影响的微纳复合结构表面热沉内的微汽泡生长的理论模型和液体流动以及复合相变强化换热模型，进行微纳复合结构表面热沉内的微气泡动力学、流场以及温度场的数值模拟。

微槽群热沉内三相接触线区域的高强度蒸发和厚液膜区域的核态沸腾换热，换热热流密度接近109W/m2数量级，可实现低热阻和小温差条件下的极高换热系数和热流密度的换热过程。在微槽群热沉表面构建纳米结构，形成微纳复合结构表面热沉，使热沉内复合相变换热过程进一步强化，能满足超高功率密度电子器件冷却要求。.本研究旨在揭示微纳复合结构表面热沉内润湿、干涸和流动特性以及复合相变强化换热和发生临界热负荷的具体机理。在实验方面，利用Micro-PIV技术进行微纳复合结构表面热沉内流场和流体及汽液界面温度的测量；利用高精度红外热成像显微测温技术进行热沉壁面温度的测量；利用超高速显微摄影技术进行气泡动力学行为、润湿与干涸特性的测量。在理论方面，建立微纳复合结构表面热沉内微汽泡生长理论模型和液体流动以及复合相变强化换热模型，进行微纳复合结构表面热沉内微汽泡动力学行为、流场以及温度场的数值模拟。.重要研究结果如下：微纳复合结构表面热沉纳米结构尺寸参数对微纳复合结构表面热沉干涸特性有重要影响，存在着使液体润湿长度达到最大值的最佳纳米层厚度。微槽群热沉和微纳复合结构表面热沉内的汽泡动力学行为有显著差异。微纳复合结构表面可以缩短汽泡周期，减小汽泡破裂当量直径，提高汽泡脱离频率。相比于微槽热沉，微槽结构变化对微纳复合结构表面热沉内汽泡破裂当量直径有更明显的影响。微纳复合表面过热度明显小于微槽表面。当钛纳米涂层厚度在100nm到300nm范围内增加时，换热系数成比例增加。具有微槽结构的铜热沉与光滑铜表面相比，临界热流和换热系数大幅增加，在实验范围内，最大取热热流达到400W/cm2以上。基于氧化石墨烯纳米片涂层的微纳复合结构表面可进一步显著提高临界热流密度和换热系数，临界热流密度为微槽铜热沉的130%；换热系数为微槽铜热沉的221%。.课题研究成果丰富了微纳尺度相变传热学理论，为超高功率密度电子器件的散热问题提供高效高可靠的被动式相变冷却方法和手段，具有非常重要的学术和工程应用意义。