石墨膜表面临界热流密度实验研究
发布时间：2021-10-27 06:37
本文以光滑石墨膜作为加热表面,在标准大气压下以去离子水为工质进行了饱和池式沸腾实验。实验研究表明,在热流密度达到1.83 MW/m2时,石墨膜发生膨胀并使其表面局部破裂,随着热流密度的进一步升高,破裂的面积逐渐扩大,石墨膜的电阻呈现阶跃式升高。在2.40 MW/m2的热流密度下,石墨膜表面全部破裂,此后随着热流密度增加,电阻上升幅度变小,最终,在热流密度达到3.17 MW/m2时,石墨膜发生烧毁。可见,石墨膜通过膨胀破裂的方式能自适应地强化沸腾传热临界热流密度,强化比例达到73%。同时,通过高速摄像机的观察发现,在相同热流密度条件下,与光滑表面相比,膨胀表面的气化核心数增多,气泡脱离直径变小,气泡脱离频率变大。
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１实验装置示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｆａｃｉｌｉｔｙ??
面，使核态沸腾迅速迁移至膜态沸腾，最终加热面温??度过高而被烧毁，这一过程被称为“沸腾危机”，对??应的热流密度值即为临界热流密度［气但在本实验??中，石墨膜表面发生局部干斑无法润湿后迅速升温，??致其表面发生膨胀和破裂。石墨膜表面形貌的改变??使得干斑得以重新润湿，避免了烧毁的发生。当热??流密度进一步增大后（１．９０?ＭＷ／ｍ２、２．４０?ＭＷ／ｍ２），??这一过程随热流密度的增加扩张到石墨膜表面的其??他区域，直至整个表面全部粗糖化。??（ｄ）?２．４０?ＭＷ／ｍ２??图２石墨膜表面形貌随热流密度的变化??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｆｉｌｍ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??ｈｅａｔ?ｆｌｕｘｅｓ??为了研究膨胀石墨与光滑石墨表面形貌的差异，??采用上海交通大学分析测试中心的扫描电子显微镜??（ＳＥＭ）对不同石墨膜表面样品进行了微区分析，如??图３所示。图３（ａ）是石墨膜初始的时的表面形貌：??表面光滑；图３（ｂ）分别为１００?（ｉｍ尺度和１０?ｆｉｍ尺??度下的膨胀表面形貌：膨胀后表面碎裂，并形成复??杂的缝隙（沟槽）和边缘片层结构。与原有光滑石墨??膜表面相比，石墨表面在膨胀后传热面积有一定的??增大。更为重要的是，石墨膜自身演变出的缝隙与片??层状结构使其作为加热表面时的气化核心密度大大??增加，且沟槽状缝隙内更易储存液体使加热表面保??持湿润，进而大大提高了临界热流密度。Ａｈｎ等Ｍ??通过沸腾实验制得多孔石墨烯表面，在润湿性方面??表现出大接触角、高吸水性的独特性能。??（ｂ）膨胀表面??图３不同石墨膜表面ＳＥＭ形貌??Ｆｉｇ．?３?Ｓ
６４６??工程热物理学报??４１卷??已具备一定的规模，使电阻的形状特征发生变化而??造成电阻值的增大。这一过程在图４中表现为电阻??阶跃升高的同时，热流密度有一定的减校??将图４中第一次产生电阻阶跃变化的点定义为??石墨膜膨胀的起始点，在本文研究的范围内，膨胀??起始点对应的热流密度为１．８３?ＭＷ／ｍ２。在低于膨??胀起始点的热流密度下，石墨膜表面仍可能会产生??摄像机未能捕捉到的轻微膨胀，而在温度升高带来??的电阻率降低的影响下，轻微膨胀造成的电阻升高??无法造成阶跃现象，使得从数据角度和图像角度都??难以实现对轻微膨胀的辨识。因此，在本文中以阶??跃第一点作为膨胀起始点，并将其作为光滑石墨膜??的临界热流密度，讨论膨胀石墨表面对增强临界热??流密度的作用效果．??图４石墨膜电阻随热流密度的变化??Ｆｉｇ．?４?Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ?ｖａｒｉａｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ｈｅａｔ?ｆｌｕｘｅｓ?ｏｆ??ｔｈｅ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｆｉｌｍ??本实验中，当膨胀石墨膜表面被气膜覆盖，无??法得到润湿后，石墨表面温度迅速上升，并在极短??时间内烧毁。以石墨膜的烧毁点作为膨胀形貌下的??临界热流密度点，则本实验得到的临界热流密度值??为３＿１７?ＭＷ／ｍ２。将烧毁点与石墨膜膨胀起始点的??数据比较用来衡量膨胀形貌对临界热流密度的强化??效果，定义??増强比＝她，１起始点ｘ?！〇〇％?（６）??＾起始点??则膨胀表面产生的增强比可达７３％，大大提高了石??墨膜表面所能承受的热流密度。??２．２石墨膜电阻随热流密度的变化??为了研究膨胀表面与光滑表面的气泡行为，用??采集频率为５０００?Ｈｚ的高速摄像机对相同热流
本文编号：3461068
【文章来源】：工程热物理学报. 2020,41(03)北大核心EICSCD
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图１实验装置示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｆａｃｉｌｉｔｙ??
面，使核态沸腾迅速迁移至膜态沸腾，最终加热面温??度过高而被烧毁，这一过程被称为“沸腾危机”，对??应的热流密度值即为临界热流密度［气但在本实验??中，石墨膜表面发生局部干斑无法润湿后迅速升温，??致其表面发生膨胀和破裂。石墨膜表面形貌的改变??使得干斑得以重新润湿，避免了烧毁的发生。当热??流密度进一步增大后（１．９０?ＭＷ／ｍ２、２．４０?ＭＷ／ｍ２），??这一过程随热流密度的增加扩张到石墨膜表面的其??他区域，直至整个表面全部粗糖化。??（ｄ）?２．４０?ＭＷ／ｍ２??图２石墨膜表面形貌随热流密度的变化??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｆｉｌｍ?ｕｎｄｅｒ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??ｈｅａｔ?ｆｌｕｘｅｓ??为了研究膨胀石墨与光滑石墨表面形貌的差异，??采用上海交通大学分析测试中心的扫描电子显微镜??（ＳＥＭ）对不同石墨膜表面样品进行了微区分析，如??图３所示。图３（ａ）是石墨膜初始的时的表面形貌：??表面光滑；图３（ｂ）分别为１００?（ｉｍ尺度和１０?ｆｉｍ尺??度下的膨胀表面形貌：膨胀后表面碎裂，并形成复??杂的缝隙（沟槽）和边缘片层结构。与原有光滑石墨??膜表面相比，石墨表面在膨胀后传热面积有一定的??增大。更为重要的是，石墨膜自身演变出的缝隙与片??层状结构使其作为加热表面时的气化核心密度大大??增加，且沟槽状缝隙内更易储存液体使加热表面保??持湿润，进而大大提高了临界热流密度。Ａｈｎ等Ｍ??通过沸腾实验制得多孔石墨烯表面，在润湿性方面??表现出大接触角、高吸水性的独特性能。??（ｂ）膨胀表面??图３不同石墨膜表面ＳＥＭ形貌??Ｆｉｇ．?３?Ｓ
６４６??工程热物理学报??４１卷??已具备一定的规模，使电阻的形状特征发生变化而??造成电阻值的增大。这一过程在图４中表现为电阻??阶跃升高的同时，热流密度有一定的减校??将图４中第一次产生电阻阶跃变化的点定义为??石墨膜膨胀的起始点，在本文研究的范围内，膨胀??起始点对应的热流密度为１．８３?ＭＷ／ｍ２。在低于膨??胀起始点的热流密度下，石墨膜表面仍可能会产生??摄像机未能捕捉到的轻微膨胀，而在温度升高带来??的电阻率降低的影响下，轻微膨胀造成的电阻升高??无法造成阶跃现象，使得从数据角度和图像角度都??难以实现对轻微膨胀的辨识。因此，在本文中以阶??跃第一点作为膨胀起始点，并将其作为光滑石墨膜??的临界热流密度，讨论膨胀石墨表面对增强临界热??流密度的作用效果．??图４石墨膜电阻随热流密度的变化??Ｆｉｇ．?４?Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ?ｖａｒｉａｔｉｏｎ?ｗｉｔｈ?ｈｅａｔ?ｆｌｕｘｅｓ?ｏｆ??ｔｈｅ?ｇｒａｐｈｉｔｅ?ｆｉｌｍ??本实验中，当膨胀石墨膜表面被气膜覆盖，无??法得到润湿后，石墨表面温度迅速上升，并在极短??时间内烧毁。以石墨膜的烧毁点作为膨胀形貌下的??临界热流密度点，则本实验得到的临界热流密度值??为３＿１７?ＭＷ／ｍ２。将烧毁点与石墨膜膨胀起始点的??数据比较用来衡量膨胀形貌对临界热流密度的强化??效果，定义??増强比＝她，１起始点ｘ?！〇〇％?（６）??＾起始点??则膨胀表面产生的增强比可达７３％，大大提高了石??墨膜表面所能承受的热流密度。??２．２石墨膜电阻随热流密度的变化??为了研究膨胀表面与光滑表面的气泡行为，用??采集频率为５０００?Ｈｚ的高速摄像机对相同热流
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