多尺度仿生交错润湿性表面沸腾传热性能及机理

发布时间：2016-04-20 07:18

第 1 章  绪论

1.1  研究背景及意义
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础和动力资源，是制约国民经济发展的重要因素之一。近几十年来，伴随社会的不断进步，世界能源的消耗量急剧增长，不可再生的常规能源面临枯竭的危险，新型能源的开发应用滞后，使能源局势日趋紧张。在能源的消耗中,热能仍然是最主要的消耗形式。例如煤炭、石油等各种燃料的化学能需要先转换成热能，才能进而转换成机械能或电能。因此提高热能利用率,提高能源转换效率可以有效的缓解能源危机。 强化传热是一种能够显著改善传热性能的先进技术，在工业生产中有着十分广泛的应用，已经成为现代传热科学中十分引人注目的研究领域。传热的具体形式主要包括自然对流、强制对流、蒸发和沸腾传热。 图 1.1[1]对比了几种典型的冷却方式的传热能力，可见沸腾较传统的风冷以及单相液体冷却具有较大的优势，沸腾传热效率的高低直接决定着能源转换或利用的效率。沸腾传热因在较小的过热度条件下可以获得极大的传热系数，在核能、航空航天、冶金、制药、电子等技术领域和能源、动力等工业实践中得到了极其迅速的发展，也一直是国内外学者的研究热点。 通过 Nukiyama 曲线[2]可知核态沸腾区域在沸腾换热中有最高的换热效率，因此沸腾传热在工业中的应用主要集中于核态沸腾区。影响沸腾换热性能的主要因素有热通量、饱和压力和工作介质的热物理性质。同时沸腾表面材料的热物理性质，尺寸规模、厚度、表面粗糙度和表面微结构也是影响沸腾换热系数的重要因素[3]。在低热流密度段内随热流密度的增大，过热度急剧增加。在相同的热流密度下，提过沸腾换热系数可以有效减小换热表面的温度，从而避免高温对设备材料的破坏。 
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1.2  强化沸腾传热技术研究现状
池沸腾称大容器沸腾，是研究沸腾换热的最基础手段。核态池沸腾是一种成核现象，，它包括汽泡的产生、汽泡的生长以及汽泡的脱离 3 个阶段。强化核态池沸腾传热方法的提出和实施也是从提高这 3 个阶段的效率入手的。在工程应用和科学研究中，强化核态沸腾的技术手段可以归纳为以下 3 个方面[4]： （1）  强化表面法。既包括通过物理方法不改变表面性质，又包括通过化学方法改变表面性质的强化方法。这两种方法都可以大幅度增加活性核化沸腾点的密度，在传热温差较小的情况下获得较大的传热通量。该种方法在低品位热能开发利用及电子元件冷却方面有着广泛的应用。 （2）  加入添加剂法。其主要途径是利用颗粒增加汽泡的移动速率，或利用添加剂的物理化学性质改变传热表面的润湿性，提高汽泡的生长速度和脱离频率。这种方法可有效地提高核态沸腾的沸腾滞后现象。 （3）  外加矢量场法。通过外加力场或磁场的方法改善汽泡的沸腾行为。这类方法属于利用流场与外加力场的耦合作用来强化传热。 
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1.2.1  表面强化法对沸腾换热影响
Jacob 和 Frittz[5]利用喷砂和机械切削分别制备出具有矩形沟槽的两种表面用于沸腾试验，试验结果显示喷砂所制造出来的沸腾表面比光滑表面增强了约 15%的性能，而矩形切削沟槽沸腾表面较光滑表面增强了约 3 倍的换热性能，其增强沸腾换热性能的作用会随着时间增长而递减。 Kurihara 和 Myers[6]通过对砂纸研磨后的沸腾表面和光滑表面沸腾换热性能进行试验对比，发现有效成核位置的增加是增强沸腾传热系数的主要原因。由砂纸研磨所制造的沸腾表面有效地增大了单位面积内的有效成核位置，这些人造的有效成核位置将会使沸腾的起始过热度低于自然成核位置所需的沸腾起始过热度。 Griffith 和 Wallis 等[7]认为，人造有效成核位置的开口大小决定了沸腾起始所需的过热度，而人造成核位置的几何形状则是决定了其能否成为稳定有效成核位置的重要因素。 
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第 2 章  多尺度仿生交错润湿性表面的制备

2.1 几种表面润湿性讨论 
在多相流中,气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角即为接触角（Contact angle ,CA）。当固体不能完全被液体覆盖，且液体具有自由界面时，液体并不会在固体表面完全铺展开，而是在其上形成一个液滴，并与固体表面成一角度，即所谓的接触角。 Young’s 方程是界面化学的基本方程之一，也是研究固体表面润湿现象的理论基础。它是建立于理想条件下的方程，即固体表面平滑、组成均匀及各向同性。但在通常条件下，固体表面或有一定得粗糙度或化学组成不均一，因此Young’s 方程只能用作对通常的状况作出定性的指导。对于本文设计加工的微正方柱表面，因为表面或是不平滑的，或是即不平滑表面材料也不均一，因此杨氏方程并不适用。 
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2.2 多尺度仿生交错润湿性表面的设计
多尺度交错润湿性表面（图 2.3）是指在不同尺度的分层微结构(正方柱)表面基底的不同位置处制备纳米结构,使微结构表面具有上层亲水下层疏水（或上层疏水下层亲水）的交错润湿性。 本文交错润湿性热功能表面的制备思路为：应用线切割的方法在紫铜基底上加工出不同尺寸的正方柱结构，规定每个微方柱结构的上表面为上层，侧面及底面为下层。分别在上层或下层表面沉积纳米结构来改变由线切割加工后紫铜表面原来的润湿性，使表面具有交错润湿的特性。本文提及的多尺度主要是指每个换热表面上不仅有毫米级的沟槽结构、微米级的由线切割加工工艺决定的表面粗糙度还有纳米级的疏水结构。 沸腾试验件材料为紫铜。紫铜即为铜单质,因其颜色为紫红色而得名，其热导率为 400 W/m·K，导热性能较好。沸腾试验件宏观尺寸分别为长 40 mm 宽 40 mm 高 10 mm。试验件的四条棱边加工有半径为 5 mm 的圆角，以保证和隔热保温模块配合时为面配合，增强密封性。沸腾表面的微正方柱的结构由槽宽、肋宽和深度决定（图 2.4）。 
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第 3 章  不同润湿性表面饱和核态池沸腾试验 .......... 27 
3.1 沸腾传热基础........ 27 
3.2 试验测试系统概述........ 31 
3.3 加热模块的设计及相关参数计算原理.... 33
3.4 试验误差分析........ 35 
3.5  试验方案及系统可靠性验证....... 36 
3.6  试验结果分析....... 40 
3.7  汽泡动力学相关分析........... 42
3.8 本章小结........ 50 
第 4 章  多尺度仿生交错润湿性表面饱和核态池沸腾试验 ...... 51 
4.1 试验方案........ 51 
4.2  试验数据分析....... 52 
4.2.1 极差分析 ..... 52 
4.3 沸腾起始时汽泡成核位置分析.... 54 
4.4  本章小结....... 57 
第 5 章  多种润湿性表面汽泡生长数值计算 ...... 59 
5.1   CLSVOF 方法概述 .... 59 
5.1.1 Level set 方法 ...... 59 
5.1.2 VOF 方法..... 60 
5.2   CFD 前处理 ........ 61 
5.3 结果分析........ 64 
5.4 本章小结........ 67

第 5 章  多种润湿性表面汽泡生长数值计算 

第三章试验说明，相同微结构尺寸下仿生交错润湿性表面具有最优的沸腾换热性能，但其高性能换热机理尚不十分清楚。本章利用 CLSVOF（Coupled Level-Set and Volume Of Fluid）方法对同一微结构尺寸下的四种润湿性表面的汽泡生长情况进行分析（二维），对比光滑表面揭示仿生交错润湿性表面高性能换热机理。 

5.1   CLSVOF 方法概述 

在计算流体力学领域中，界面分层问题普遍存在。例如明渠的流动、流化床、汽泡的生长、冷凝及燃烧反应等。这些问题既包括水-汽（气）界面，也包括相变或无相变的模型。界面的描述与追踪一直是多相流领域的热点及难点。Level-Set 与 VOF 方法均属于界面捕捉类方法，它们均在欧拉网格下构造，都用一个标量函数描述界面的几何形态，都具有鲁棒的拓扑处理能力。但二者也有较大的区别。首先二者描述界面的方法不同；其次 VOF 方法能够精确地保证质量守恒，而 Level-set 方法则不包括质量守恒方程；第三，Level-Set 方法能够精准的捕获几何信息，能够自动捕捉几何变形。二者的差异见表 5.1。 

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结论 

（1）受纳米布沙漠甲虫背部交错润湿性结构能够促进质量的传递及微纳米复合结构的启发，设计制备了分层的仿生交错润湿性表面，并通过试验证明了其表面交错润湿。 
（2）开展了仿生表面在低热流密度下的饱和核态池沸腾试验，并和其它润湿性表面的换热性能进行对比，发现仿生交错润湿并表面具有更强的沸腾换热性能，微结构尺寸相同时，其沸腾换热系数最大为微结构表面的 1.8 倍，为全纳米结构表面的 1.47 倍。 
（3）疏水的纳米结构在饱和核态池沸腾换热中能够促进汽泡的脱离。在微结构的上下层全部覆盖纳米结构并一定能增强沸腾换热性能，微结构尺寸对其亦有较大的影响。两种不同的交错润湿性表面（上层亲水下层疏水或上层疏水下层亲水）的换热性能虽然在试验的两种微结构尺寸下均优于其它表面，但两种尺寸下并不是固定的某种交错润湿性表面换热性能强（第一组试验中上亲下疏表面换热性能最强，第二组试验中上疏下亲表面换热性能最强）。
（4）应用试验优化设计，通过对单一功率下稳定沸腾时的换热系数的极差分析，发现在影响换热性能的四个因素中有无纳米结构对沸腾换热性能影响最大，其次是深度，再次为槽宽及肋宽。 
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参考文献(略)

本文编号：38679