基于气泡动力学分段调控浸润性强化核态沸腾

引 言

核态沸腾是一种高效传热方式，在相变换热设备中获得广泛应用，具有传热温差小、传热系数高的优点[1-2]。在航空航天、燃料电池、微纳电子芯片等产业高速发展的背景下，利用表面复杂微结构[3-4]与浸润性以强化核态沸腾换热，改善沸腾传热性能[5-7]，是近年来热门的强化表面换热的研究方向。

表面浸润性能够显著影响沸腾表面换热性能[8-10]。Yim等[11]制备了表面接触角θ分别为81°和15°的普通表面和二氧化钛涂层表面，证明更亲水的二氧化钛涂层表面成核点数量增加，气泡体积减小脱离频率提高，表面传热能力提高64.1%。姜洪鹏等[12]通过高速相机观察到疏水表面气泡容易汇聚，生长脱离周期较长。Sarode等[13]发现超疏水性限制板能够吸引并拉离加热器表面的气泡，防止蒸汽聚集在加热器表面，液体通道供应的周围液体可显著降低表面过热与抑制温度波动，传热系数（heat transfer coefficient, HTC）最大可提高82%。浸润性改性可改变气泡动力学特性，从单气泡的生长传热特性研究入手可加深对沸腾换热强化的理解。潘丰等[14]认为低热通量时的孤单气泡微层立气泡的微层蒸发在沸腾换热过程中起主导作用。Wang等[15]认为无改性表面上的气泡生长周期为20 ~ 40 ms，而改性表面上的时间小于20 ms，传热性能更优。Sarker等[16]研究发现在低润湿的粗糙表面上，气泡的膨胀和收缩效应造成基底附近的液体传播扰动，导致等待时间延长。

在明确了表面亲疏水性分别对沸腾热力学和气泡动力学的影响后，混合浸润性换热表面的强化机理也逐渐清晰。Liang等[17]通过构建核池沸腾装置，研究了基于超亲水表面的疏水性点状或条纹状混合润湿性表面对核池沸腾传热和临界热通量（critical heat flux, CHF）的影响，发现润湿性的增加会强化表面的再润湿效应改善表面CHF，低热通量时成核增强，疏水区域传热系数高于亲水区域。Kong等[18]认为混合润湿表面提供的成核位点密度增大，气泡经过多次聚结后滑向光滑区域，在亲水性区域气泡脱离加速。Shen等[19]在抛光铜表面沉积具有疏水性质的圆形斑点，制备的101°和接近0°交替的疏水性和亲水性混合表面，可通过促进气泡成核和扰动效应使核沸腾的起始温度下降35%；过热度达到20 K时，与纯铜表面相比HTC最大增强超过300%。Hsu等[20]发现亲疏水性区域交错次数与面积比值影响铜圆筒壁面过热度和表面传热性能，交错次数越多、亲水区域比值越大使表面成核越容易。

除搭建核态沸腾实验台外，由于仿真软件对表面浸润性调控具有明显的便利性，混合浸润性的模拟研究得到了大量关注[21-23]，主要方法包括格子玻尔兹曼方法、CFD-VOF方法和分子动力学模拟等。Ma等[24]采用格子玻尔兹曼模型进行池沸腾传热数值模拟，综合利用疏水表面在低过热度以及亲水表面在高过热度时的换热优势，发现柱顶103°、底部53°的浸润性表面沸腾换热性能最好。Lee等[25]则探索使用交叉纵横比作为衡量疏水点的形状的变量，研究了亲水性表面上的不同形状疏水点对换热的影响。Chen 等[26]和张龙艳等[27]采用分子动力学模拟方法，认为光滑表面上更大面积的强亲水区域以及强亲水纳米结构有利于成核，原因是纳米尺度下浸润性增强使固液界面间热阻效应减弱，热量传递效率提高，越容易核化。

综上，近年来利用浸润性的调控强化核态沸腾的研究，已经阐明了亲疏水性的影响以及混合浸润性表面的换热优势。但以上方法主要集中在对换热表面的静态修饰，对于不同阶段所展现的换热特点利用不足，因此可以从单个气泡生长脱离阶段的不同时刻入手，有目的性地进行表面浸润性调控。根据气泡动力学需求，亲水性可促进气泡脱离，疏水性可促进气泡生长。根据本课题组对相同微结构表面沸腾气泡的脱离阶段进行亲水性调节研究结果[28]，本文进而针对生长阶段，尤其是t < 0.152 ms阶段进行疏水性调节，以获得生长阶段疏水性条件的强化效果，为强化核态沸腾换热方法提出新的思路。

1 模型及方法

1.1 计算域基本设置

计算域底部为厚50 μm的加热硅板，硅板底面热通量设置为58 kW/m2；硅板上方为微柱区域，长宽高分别为50、50和150 μm，间隔为100 μm，以阵列形式排布；以平面y = 0作为对称轴，流体区域高度设置为1500 μm，计算域底面面积为1350 μm × 675 μm，满足沸腾计算要求。首先进行纯导热计算，计算域侧壁面设置为绝热边界条件，上表面为压力出口，计算域几何尺寸与边界条件如图1所示；成核点距离微柱基底10 μm，基于之前的实验结果[29]在过热度达4 K时放置种子气泡，半径为7.5 μm；将三个侧壁面改为压力出口条件后开始核态沸腾计算。计算域内的网格均是六面体网格，为提高计算精度与稳定性，采用如图2所示的分区域网格细化方案。0~15 μm高度范围内的基底区域和气泡区域进行二阶加密后最小网格尺寸为2.5 μm；除气泡区域外，15~150 μm范围内网格大小均为10 μm，随着高度增加利用边界层网格将高度增加为12、14.4和17.28 μm，以节省计算资源与时间[30]。

图1

图1   计算域几何尺寸与边界条件

Fig.1   The geometry and boundary conditions for the computational domain