非均匀润湿结构强化微重力沸腾换热及驱动汽液两相流动机理研究

High cooling efficiency can be obtained on electronic chips by utilizing boiling heat transfer, but boiling heat transfer always shows severe deterioration in microgravity due to the delay of bubbles departure. In order to solve this problem, new alternate wetting/non-wetting patterns with multiorder fractal features are fabricated on micro-pin-finned structures to control the spatial position of bubbles. After introducing jet impingement, these new fractal patterns are proposed to improve bubbles breakup efficiency of jet flow. Meanwhile, radial wettability gradient microchannels are developed to induce and promote bubbles slipping off the heater surface laterally, and these microchannels can be implemented for realizing pumpless vapor-liquid two-phase fluid transport. Considering bubble dynamics and heat flux distribution, mechanism of boiling heat transfer enhancement by coupling non-uniform wettability structures and jet impingement will be studied. Subsequently, the dynamic characteristics of two-phase flow in radial wettability gradient microchannels will also be studied from the perspective of micro and mesoscopic flow on three-phase interface. Evolutional rule of vapor-liquid interface movements on microstructured surface can be obtained through observing the distributions of temperature and flow fields. Visual observation of bubble behaviors, such as slipping and breakup of bubbles, can be observed by using high speed CCD camera. The lateral driving forces caused by surface energy gradient and Laplace pressure difference are introduced to bubble behavior analysis, and theoretical models of bubble dynamics and vapor-liquid two-phase flow will be established to describe the influences of non-uniform wettability structure parameters on boiling heat transfer and two-phase flow. This research will provide technical support for efficient cooling high-power thermal devices in spacecraft.

利用沸腾换热冷却电子芯片具有极高的散热效率，但微重力下汽泡从加热面脱离困难导致换热严重恶化。基于此，本课题在引入射流冲击的基础上，提出在微柱阵列表面构筑多阶分形交错润湿结构来规划汽泡的空间位置，提高射流破碎效率；制备放射形梯度润湿微流道结构来诱导汽泡横向滑移脱离，实现汽液两相流体的无泵输送。在综合考虑汽泡动力学行为、加热面热流分布的前提下，研究非均匀润湿结构与射流冲击相互耦合、协同作用强化流动和沸腾换热机理。从三相界面的微细观流动入手，研究放射形梯度润湿微流道驱动汽液两相流动过程的动力学行为特征。观测加热面温度及流场分布，获得汽液相界面的运动演化规律以及汽泡破碎、滑移过程的动力学行为。将由表面能梯度和Laplace压力差引起的横向驱动力引入汽泡行为分析中，建立汽泡滑移合并及汽液两相流动模型来揭示非均匀润湿结构特征与传热、流动间的依变规律。本课题研究可为航天器机载大功率芯片冷却提供技术支撑。

航天器对电子系统的微型化、集成化和高频化要求苛刻，电子芯片冷却面临巨大挑战。利用沸腾换热冷却电子芯片具有极高的散热效率，但微重力下汽泡从加热面脱离困难导致换热严重恶化。针对这一技术瓶颈，本课题设计制备了具有三阶Sierpinski地毯曲线分形特点的亲疏水交错润湿铜表面，并通过实验观测了汽泡在典型的亲/疏水分形表面动力学特性。结果表明，Sierpinski 亲/疏水交错润湿分形表面，能够有效降低液体起始沸腾温度、提高沸腾换热的临界热流密度；并可对于气泡分布和合并的定向规划，实现了气泡空间分布与加热壁面热流密度分布的协同一致，从而进一步提高了沸腾换热性能，其表面的热流密度提高35.09%和13.98%以上。通过对表面进一步的改进优化形成四阶分形及四阶蜂巢分形结构，可是表面的临界热流密度提高了31.7%，换热系数分别提高了76.8%和126.7%。理论研究方面，利用微液层汽化模型求解单汽泡换热基础上，将分形理论引入加热表面汽泡尺度分布分析中，建立包含不同尺度多代汽泡的核态沸腾传热模型。模型计算结果与实验及文献吻合良好，最大偏差不超过15%。利用模型对典型的Sierpinski地毯分形图案的亲疏水结构表面的气泡动力学性能进行了分析，定性的揭示了气泡倾向于滑向较宽的低阶疏水区域，中心低阶疏水区能够得到较好的液体补充的动力学原理。在放射形梯度润湿微流道驱动两相流体流实验研究及液滴自迁移动力学分析方面，利用掩膜辅助光刻技术加工放射状的微米级凸肋结构，开展常重力条件下梯度润湿表面驱动汽液两相流体流动的实验研究。在理论计算的基础上根据所实验测量表面的实际梯度对驱动力Fact和合力进行了修正。理论速度与实际速度基本吻合，最大误差为19%。此外，探索亲疏水表面结构制备过程中，还开展了在基于多粘结剂策略的耐久超疏水表面的制备及性能研究方面得研究研发了一种坚固耐用的复合超疏水涂层，该超疏水复合涂层在自洁、防冰、防霜、防腐蚀等实际应用中表现出出色的性能。本项目研究成果可为航天器机载大功率芯片冷却提供技术储备。