电场作用下单个沸腾汽泡的成核机理与换热特性研究

本项目拟采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，对单个沸腾汽泡在电场作用下的成核机理、生长及换热特性等进行下列研究:（1）基于非平衡热力学原理，推导电场作用下系统的广义化学势，由相平衡条件建立电场作用下沸腾汽泡成核的临界半径、壁面临界温度梯度和成核临界功的物理和数学模型，完善经典成核理论对电场作用下汽泡成核的描述；（2）利用MEMS技术制造微加热器和人造汽化核心的技术，产生可控的单个沸腾汽泡。借助高速摄像可视化技术，开展单个沸腾汽泡生长和脱离的实验研究，揭示电场作用下沸腾换热的微观细节与汽泡动力学特性；（3）采用Level set方法进行汽/液界面追踪，通过微观区域与宏观区域耦合求解的数值方法，模拟单个沸腾汽泡在电场作用下的生长及其动态特性，丰富对电场强化沸腾换热机理的认知。

理论研究：基于Gibbs自由能和有效能的变化，考虑温度梯度和电场作用的影响，建立了非均相成核的热力学模型，分析了表面亲疏水性、表面微粗糙度以及外加电场对沸腾成核临界半径及成核功的影响。过热表面非均相沸腾成核的热力学分析表明：(1) 沸腾汽泡的临界成核半径和成核功随接触角的增加而减小，即疏水表面更易于成核；(2) 表面微结构的曲率半径在汽泡半径的5-100倍范围内时，其对成核过程的促进作用较大，超出这个范围后，表面微粗糙结构的影响可以忽略而表面亲疏水性的影响起到主要作用；(3) 考虑介电常数随温度变化的因素，推导出电场作用下非均相成核Gibbs自由能及可用能大小，分析发现成核临界半径及成核能量壁垒随着外加电场强度的增强而增大，说明成核变得更加困难。. 实验研究：用激光干涉法结合高速摄影技术清晰地记录了单个沸腾汽泡生长过程中微液层干涉图样的变化过程，研究汽泡底部弯月面动态变化特性以及分析了干区出现后三相接触线、微液层接触角、汽泡基圆半径和微液层体积的变化规律。实验结果发现：(1) 汽泡生长过程中，微液层接触角呈现出线性递减的变化趋势；(2) 在干区出现之前汽泡基圆半径变化非常剧烈，在干区出现之后汽泡基圆半径的变化趋势趋于平缓；(3) 汽泡生长初期，微液层体积迅速膨胀。在干区出现后，微液层体积随着时间的变化开始逐渐减小。