界面多尺度结构效应强化传热的机理研究

The nature and dynamics of interfacial multiscale structures govern heat and mass transfer in many heat exchange systems, and advanced energy and power equipment. The heat transfer enhancement and controlling mechanisms of interfacial multiscale effect is the core scientific fundamentals and one of the crucial issue for advanced technology innovations. The multiscale characteristics in condensation heat transfer process will be investigated in this project with regard to the physicochemical properties, surface morphology, chemical /physical texturing, surface free energy, and droplet size distribution and time sequence during droplet growth process, and interaction effects between droplets and condensing surface, and their influences on the microscopic and macroscopic heat transfer characteristics. It is hopeful to establish and present an integrated framework to model the dropwise condensation in terms of the multiple scales principles. The experiments will be conducted for better understanding of the process parameters controlling the relevant transport phenomena, the distinguishing feature of which includes the involvement of a hierarchy of length/time scales, proceeding from nuclei formation, to clusters, all the way to macroscopic droplet ensemble, drop coalescence, and subsequent droplet dynamics and heat transfer regulation and optimization. Typical examples will be tested for heat transfer enhancement by controlling parameters in the domain of interfacial multiscale effects. Mechanisms of interfacial multiscale effect will be of great significance on phase change heat transfer, multiphase flow, water recovery in space station, oscillating heat pipe and other energy and power processes and equipment.

界面多尺度结构驱动过程传热传质的强化机理和调控机制是许多换热体系和先进能源动力装备的共性科学基础和技术创新的关键问题之一。本项目在深入研究界面的物理化学、几何结构、表面自由能等多尺度特性以及相界面演化过程形成的时空分布多尺度特征相互间多维耦合作用的基础上，阐明界面多尺度结构性质驱动相变传热的物理机制和多维耦合结构作用于相变传热界面演化的微观机制，探索多尺度规划创新原理和基础理论框架。主要研究由界面结构特性驱动的润湿、铺展、微宏观流动等现象的微观机制和规律；通过界面结构的多尺度规划，研究界面结构形态和特性对强化传热调控的基础理论。以几种特定的传热过程为实例，研究界面多尺度结构强化传热机制的具体展示。本项目对于相变传热、新型能源动力过程与装备、气液两相流动与传热、航天器水回收以及脉动热管等领域的先进强化传热技术研究和应用具有非常重要意义。

界面多尺度结构和相界面演化的多尺度特性是相变传热机理和过程强化已成为国际学术界关注的热点。滴状冷凝传热过程包括分子团聚、成核、微液滴、液滴群演化、液滴脱落等子过程，具有从纳米级分子尺度到微米、毫米级尺度的多尺度特征。本项目围绕汽液界面多尺度现象和传热特征，系统研究了界面几何结构（几何角度）、表面自由能（接触角）和传热驱动力（表面过冷度）的“两角一度”协同作用机制，初步构建了界面多尺度结构效应强化相变传热的理论框架，对深化相变传热理论和先进强化传热技术研发具有重要的指导意义。取得如下主要结果：（1） 实验发现了沿垂直表面方向蒸汽分子团簇尺寸的空间分布特征及其随过冷度的变化规律。揭示了界面能量和结构效应对团簇生长速率和液滴核化的微观机制。（2） 较系统阐明了“两角一度”对冷凝液滴润湿模式、液滴动态特性的影响机制。提出了“两角一度”协同决定液滴润湿模式的新思路，发现了浸润、悬靠和完全Cassie三种模式的呈现及转换条件。特别是超疏水表面微纳结构与表面过冷度的独特协同作用机制，首次在纳米线表面上实现较大范围过冷度下的完全Cassie模式，显著地强化了传热。探究了液滴生长特性随表面性能和操作条件的变化规律。较细致地研究了冷凝液滴的重力滑落、抽吸脱落和弹跳脱落的物理机制和调控因素。揭示了液滴合并弹跳过程的界面多尺度效应和微观物理机制。（3） 研发了纳米线、超重力、组合表、改性翅片管等多种强化传热方法。纳米线结构表面实现过冷度从3K到24K的微米液滴弹跳，常压下传热系数比膜状提高600%；利用抽吸效应的亲/疏水组合表面常压下传热系数相比膜状提高450%。（4） 超亲水表面的超薄液膜的定向铺展和温度分布调控极大地提升了低喷淋降膜蒸发传热，传热系数相比普通铜表面最高提高300%。本项目对于相变传热理论深化、新型能源动力过程与装备、热管理技术、高效换热设备、海水淡化以及石油化工等领域的先进强化传热技术研究和应用具有非常重要意义。