微尺度下流体的流动换热及核化沸腾的分子动力学研究

发布时间：2020-04-16 17:34

【摘要】：随着微纳技术的高速发展,微尺度下流体的流动换热及相变在微纳系统和器件的设计与应用中备受关注,是制约微纳系统能量转换、存储及输运的关键科学问题。目前,尺度微细化导致流体热质传递过程中产生的新问题和新现象仍未能被很好的揭示与应用,有待开展进一步的深入研究。由于实验手段和理论研究很难从分子层面揭示粒子间复杂相互作用,分子动力学方法成为探索微观尺度现象与机理的有效手段。因此,本文借助分子动力学方法研究微尺度下流体热质传递过程的影响机制。从构建微尺度单相流体的传热模型入手,揭示微尺度固液温度边界的物理本质;进一步研究单相流体流动与换热的耦合关系,探索微尺度受限空间内流体的新现象。在单相流体流动换热的研究基础上,开展流体核化相变的研究。分别从受限空间内流体核化与固体壁面上薄液膜的核化沸腾的角度出发,剖析微尺度流体核化相变的影响机制。研究结果为微纳系统及器件的设计制造与性能优化提供具有指导意义的重要信息。针对微尺度固液界面温度边界问题,研究不同浸润性微通道内液体的传热过程,分析尺寸效应对固液界面热阻及温度阶跃的影响。界面热阻随微通道尺寸的变化可分为两个阶段,即小尺寸微通道的单调递增阶段和大尺寸微通道的恒定值阶段。这两个阶段的微通道尺寸过渡阈值受固液作用强度与壁面温度的共同作用:减弱壁面浸润性,过渡阈值向大尺寸区域迁移。相较于低温壁面,高温壁面处的过渡阂值更大。增加微通道尺寸,固液界面温度阶跃呈单调递减趋势,致使壁面温度边界和宏观尺度下逐渐符合。探究非对称浸润性纳米通道内流动换热的耦合机制,以氩流体作为流动工质,建立泊肃叶流动的物理模型。对于无流动的热传导过程,流体内部热流由近热壁区向近冷壁区传递,称为正向传热。对于有流动的非对称浸润性系统而言,粘性耗散效应使得流体温度升高,且固液界面处产生非对称速度滑移与温度阶跃。通过调控速度滑移和温度阶跃的耦合作用,实现流体内部温度分布与热流传递的控制。一方面,减弱热壁面的浸润性,流体内部正向温度梯度增大,强化了流体内部正向传热。另一方面,通过控制参数的组合匹配,实现流体内部温度反转现象,获得流体内部由正向传热到逆向传热的转换,包括:(1)保持热壁面的超亲水性不变,减弱冷壁面的浸润性;(2)保持热壁面的超亲水性与冷壁面的疏水性不变,增大流体原子的驱动力;(3)保持热壁面的超亲水性与冷壁面的疏水性不变,降低热壁面温度。研究结果为热敏感性纳米器件的制造提供新思路。考察纳米受限空间内流体的核化相变行为,建立壁面浸润性与初始流体状态控制的汽泡核化机制分区图。受限空间内的流体核化模式分为四类,当流体初始密度ρ0.8ρsat(ρsat为饱和液体密度)时,呈现无汽泡核化模式;当流体初始密度ρ≤0.8ρsat时,随着壁面浸润性的减弱,分别呈现均质核化、异质核化及Leidenfrost现象三种核化模式,其中固液势能参数β=0.3和β=0.7为不同核化模式的过渡阀值。均质核化与Leidenfrost相变体系呈对称性分布。而异质核化模式导致体系发生对称性破缺现象,且核化位置具有明显的随机性。开展均质固体壁面上薄液膜核化沸腾模拟研究,揭示微尺度薄液膜核化特性的影响机制。从核化动力学特性的角度出发,增强壁面浸润性和增大液膜厚度,导致近壁区流体内部迅速累积大量能量,促进核化沸腾的快速发生,缩短汽泡起始核化等待时间,增大汽泡生长速率。从核化沸腾难易程度的角度出发,增强壁面浸润性,起始核化沸腾所需的表观过热度随之增加,此结果明显区别于经典核化理论中“疏水壁面易于产生汽泡”的论述。然而,考虑微尺度界面效应后,起始核化沸腾所需的有效过热度随壁面浸润性的增强呈减小趋势。增加液膜厚度,起始核化沸腾所需的表观过热度增大,有效过热度却减小,使得微尺度下薄液膜的核化沸腾呈现明显的尺寸相关性。基于微尺度界面效应及近壁区流体的温度线性分布特征,建立微尺度核化理论模型。研究结果阐明了流体核化沸腾规律在微尺度与宏观尺度之间的区别与联系,两者在本质上是相互统一的。构建异质固体壁面上薄液膜相变的分子动力学模型,揭示原始滞留汽核对核化沸腾的微观促进机理及非均匀壁面浸润性与纳米结构的竞争机制。疏水纳米凹腔产生原始滞留汽核。疏水性纳米凹腔壁面的起始核化温度为1.09ε/kB,比亲水性纳米凹腔壁面的低0.04ε/kB。对于疏水性纳米凹腔,原始滞留汽核引起汽液界面的类活塞效应。纳米凹腔的疏水性越强,类活塞效应越强,使得凹腔内部压力增大,缩短起始核化等待时间,但是对汽泡生长速率的影响几乎忽略不计。对于亲水性纳米凹腔,当纳米凹腔的接触角大于18°时,光滑壁面浸润性起主导作用,首个汽泡在光滑壁面处产生。当纳米凹腔的接触角小于18°时,纳米结构起主导作用,汽泡仅在纳米凹腔内形成。
【图文】：

示意图,阶跃,温度边界条件,示意图

两侧发生温度犬变，广生界面温度阶跃ＡＴｊｕｍｐ。界面热阻＾？ｔｈ被定NB为：ｉ？ｔｈ＝Ａ７＊ｊｕｍｐ／ｇ，逡逑其中＾为通过界面的热流。界面热阻的影响程度可由热阻长度Ｉｋ来衡量，即逡逑Ｋａｐｉｔｚａ长度，如图１－３所示，其表达式为：逡逑ｎ／ｆ逦（１－２）逡逑／逦ｉ邋ｎｔｅｒｆａｃｅ逡逑式中，为界面处流体侧的温度梯度。逡逑Ｚ逦．逡逑“逦ｉ逦ｊ１逦ｔ逡逑：逦１邋ｎｏ－ｊｕｍｐ邋１邋ｊｕｍｐ逡逑！逦／逦／逡逑ｉ邋／逦／邋ｆｌｕｉｄ逡逑逦＾４４—逦—逦？逡逑；逦／逦ｓｏｌｉｄ逡逑Ｌｋ邋Ｉ邋／逡逑图１－３阶跃和无阶跃温度边界条件示意图［４５１逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｊｕｍｐ邋ａｎｄ邋ｎｏ－ｊｕｍｐ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ＇４＾逡逑目前，界面热阻的微观理论研究模型主要有声学失配模型（Ａｃｏｕｓｔｉｃ邋Ｍｉｓｍａｔｃｈ逡逑Ｍｏｄｅｌ，，邋ＡＭＭ）及散射失配模型（Ｄｉｆｆｕｓｅ邋Ｍｉｓｍａｔｃｈ邋Ｍｏｄｅｌ，邋ＤＭＭ）等［４６］。在ＡＭＭ中逡逑界面被看作为理想的光滑平面，并假设声子是连续介质中的平面波，声子在界面逡逑处发生弹性纯镜面反射和投射，忽略散射效应。ＡＭＭ中的介质连续性假设和理逡逑想界面假设只有在极低温度下才能成立，此时声子波长远大于原子间的距离和界逡逑面粗糙度。然而随着温度的升高，当晶体中占主导地位的声子波长减小到与界面逡逑粗糙度尺寸相比拟时

思路,内容,核化,微尺度

通过界面传热实现微尺度核化沸腾，考虑微尺度效应的影响，搭建微尺度核化机逡逑制与常规尺度之间的桥梁；并深入分析非均质体系中流体的核化沸腾机制，以期逡逑为优化微尺度核化沸腾性能提供具有指导意义的重要信息。图１－５描述了本文的逡逑整体研宄思路和研宄内容。逡逑１．
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124;TN40

【参考文献】