基于氣泡動(dòng)力學(xué)分段調(diào)控浸潤性強(qiáng)化核態(tài)沸騰

引 言

核態(tài)沸騰是一種高效傳熱方式，在相變換熱設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用，具有傳熱溫差小、傳熱系數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。在航空航天、燃料電池、微納電子芯片等產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的背景下，利用表面復(fù)雜微結(jié)構(gòu)[3-4]與浸潤性以強(qiáng)化核態(tài)沸騰換熱，改善沸騰傳熱性能[5-7]，是近年來熱門的強(qiáng)化表面換熱的研究方向。

表面浸潤性能夠顯著影響沸騰表面換熱性能[8-10]。Yim等[11]制備了表面接觸角θ分別為81°和15°的普通表面和二氧化鈦涂層表面，證明更親水的二氧化鈦涂層表面成核點(diǎn)數(shù)量增加，氣泡體積減小脫離頻率提高，表面?zhèn)鳠崮芰μ岣?4.1%。姜洪鵬等[12]通過高速相機(jī)觀察到疏水表面氣泡容易匯聚，生長脫離周期較長。Sarode等[13]發(fā)現(xiàn)超疏水性限制板能夠吸引并拉離加熱器表面的氣泡，防止蒸汽聚集在加熱器表面，液體通道供應(yīng)的周圍液體可顯著降低表面過熱與抑制溫度波動(dòng)，傳熱系數(shù)（heat transfer coefficient, HTC）最大可提高82%。浸潤性改性可改變氣泡動(dòng)力學(xué)特性，從單氣泡的生長傳熱特性研究入手可加深對(duì)沸騰換熱強(qiáng)化的理解。潘豐等[14]認(rèn)為低熱通量時(shí)的孤單氣泡微層立氣泡的微層蒸發(fā)在沸騰換熱過程中起主導(dǎo)作用。Wang等[15]認(rèn)為無改性表面上的氣泡生長周期為20 ~ 40 ms，而改性表面上的時(shí)間小于20 ms，傳熱性能更優(yōu)。Sarker等[16]研究發(fā)現(xiàn)在低潤濕的粗糙表面上，氣泡的膨脹和收縮效應(yīng)造成基底附近的液體傳播擾動(dòng)，導(dǎo)致等待時(shí)間延長。

在明確了表面親疏水性分別對(duì)沸騰熱力學(xué)和氣泡動(dòng)力學(xué)的影響后，混合浸潤性換熱表面的強(qiáng)化機(jī)理也逐漸清晰。Liang等[17]通過構(gòu)建核池沸騰裝置，研究了基于超親水表面的疏水性點(diǎn)狀或條紋狀混合潤濕性表面對(duì)核池沸騰傳熱和臨界熱通量（critical heat flux, CHF）的影響，發(fā)現(xiàn)潤濕性的增加會(huì)強(qiáng)化表面的再潤濕效應(yīng)改善表面CHF，低熱通量時(shí)成核增強(qiáng)，疏水區(qū)域傳熱系數(shù)高于親水區(qū)域。Kong等[18]認(rèn)為混合潤濕表面提供的成核位點(diǎn)密度增大，氣泡經(jīng)過多次聚結(jié)后滑向光滑區(qū)域，在親水性區(qū)域氣泡脫離加速。Shen等[19]在拋光銅表面沉積具有疏水性質(zhì)的圓形斑點(diǎn)，制備的101°和接近0°交替的疏水性和親水性混合表面，可通過促進(jìn)氣泡成核和擾動(dòng)效應(yīng)使核沸騰的起始溫度下降35%；過熱度達(dá)到20 K時(shí)，與純銅表面相比HTC最大增強(qiáng)超過300%。Hsu等[20]發(fā)現(xiàn)親疏水性區(qū)域交錯(cuò)次數(shù)與面積比值影響銅圓筒壁面過熱度和表面?zhèn)鳠嵝阅埽诲e(cuò)次數(shù)越多、親水區(qū)域比值越大使表面成核越容易。

除搭建核態(tài)沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái)外，由于仿真軟件對(duì)表面浸潤性調(diào)控具有明顯的便利性，混合浸潤性的模擬研究得到了大量關(guān)注[21-23]，主要方法包括格子玻爾茲曼方法、CFD-VOF方法和分子動(dòng)力學(xué)模擬等。Ma等[24]采用格子玻爾茲曼模型進(jìn)行池沸騰傳熱數(shù)值模擬，綜合利用疏水表面在低過熱度以及親水表面在高過熱度時(shí)的換熱優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)柱頂103°、底部53°的浸潤性表面沸騰換熱性能最好。Lee等[25]則探索使用交叉縱橫比作為衡量疏水點(diǎn)的形狀的變量，研究了親水性表面上的不同形狀疏水點(diǎn)對(duì)換熱的影響。Chen 等[26]和張龍艷等[27]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，認(rèn)為光滑表面上更大面積的強(qiáng)親水區(qū)域以及強(qiáng)親水納米結(jié)構(gòu)有利于成核，原因是納米尺度下浸潤性增強(qiáng)使固液界面間熱阻效應(yīng)減弱，熱量傳遞效率提高，越容易核化。

綜上，近年來利用浸潤性的調(diào)控強(qiáng)化核態(tài)沸騰的研究，已經(jīng)闡明了親疏水性的影響以及混合浸潤性表面的換熱優(yōu)勢(shì)。但以上方法主要集中在對(duì)換熱表面的靜態(tài)修飾，對(duì)于不同階段所展現(xiàn)的換熱特點(diǎn)利用不足，因此可以從單個(gè)氣泡生長脫離階段的不同時(shí)刻入手，有目的性地進(jìn)行表面浸潤性調(diào)控。根據(jù)氣泡動(dòng)力學(xué)需求，親水性可促進(jìn)氣泡脫離，疏水性可促進(jìn)氣泡生長。根據(jù)本課題組對(duì)相同微結(jié)構(gòu)表面沸騰氣泡的脫離階段進(jìn)行親水性調(diào)節(jié)研究結(jié)果[28]，本文進(jìn)而針對(duì)生長階段，尤其是t < 0.152 ms階段進(jìn)行疏水性調(diào)節(jié)，以獲得生長階段疏水性條件的強(qiáng)化效果，為強(qiáng)化核態(tài)沸騰換熱方法提出新的思路。

1 模型及方法

1.1 計(jì)算域基本設(shè)置

計(jì)算域底部為厚50 μm的加熱硅板，硅板底面熱通量設(shè)置為58 kW/m2；硅板上方為微柱區(qū)域，長寬高分別為50、50和150 μm，間隔為100 μm，以陣列形式排布；以平面y = 0作為對(duì)稱軸，流體區(qū)域高度設(shè)置為1500 μm，計(jì)算域底面面積為1350 μm × 675 μm，滿足沸騰計(jì)算要求。首先進(jìn)行純導(dǎo)熱計(jì)算，計(jì)算域側(cè)壁面設(shè)置為絕熱邊界條件，上表面為壓力出口，計(jì)算域幾何尺寸與邊界條件如圖1所示；成核點(diǎn)距離微柱基底10 μm，基于之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[29]在過熱度達(dá)4 K時(shí)放置種子氣泡，半徑為7.5 μm；將三個(gè)側(cè)壁面改為壓力出口條件后開始核態(tài)沸騰計(jì)算。計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格均是六面體網(wǎng)格，為提高計(jì)算精度與穩(wěn)定性，采用如圖2所示的分區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化方案。0~15 μm高度范圍內(nèi)的基底區(qū)域和氣泡區(qū)域進(jìn)行二階加密后最小網(wǎng)格尺寸為2.5 μm；除氣泡區(qū)域外，15~150 μm范圍內(nèi)網(wǎng)格大小均為10 μm，隨著高度增加利用邊界層網(wǎng)格將高度增加為12、14.4和17.28 μm，以節(jié)省計(jì)算資源與時(shí)間[30]。

圖1

圖1   計(jì)算域幾何尺寸與邊界條件

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

圖2

圖2   分區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化方案[28]

Fig.2   Mesh schemes with a zonal grid refinement technique in different zone[28]

1.2 數(shù)學(xué)模型及求解方法

本文基于計(jì)算流體力學(xué)方法（computational fluid dynamics，CFD），利用軟件Fluent 15.0，模擬計(jì)算微柱結(jié)構(gòu)表面上單個(gè)氣泡生長脫離過程，采用流體體積多相流模型（volume of fluid model，VOF）[31]實(shí)現(xiàn)液態(tài)水和水蒸氣兩相的求解以及氣液交界面的精確捕捉，基本參數(shù)設(shè)置見表1。氣泡氣液界面處的蒸發(fā)占總蒸發(fā)量的很大一部分，采用能量跳躍模型（energy jump condition）[32]計(jì)算氣液界面處相變。氣泡的微層蒸發(fā)在生長階段初期快速蒸發(fā)[33]，本文采用簡化的微層建模思想[34]，假設(shè)微層區(qū)域液體不發(fā)生流動(dòng)，且微液層頂部溫度保持為飽和溫度Tsat不變，計(jì)算得到微層高度變化與氣相變化率。氣液兩相間的表面張力采用連續(xù)表面張力模型（continuum surface force, CSF）。將氣泡直徑的變化與微層蒸發(fā)量占比分別與文獻(xiàn)對(duì)比，誤差均在可接受范圍內(nèi)，模型的準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證，所采用的基本數(shù)學(xué)模型與具體驗(yàn)證過程可見參考文獻(xiàn)[30]。

表1   數(shù)值模擬涉及工質(zhì)的物性參數(shù)

Table 1  Physical parameters employed in the numerical simulations

2 討論與分析

2.1 氣泡動(dòng)力學(xué)規(guī)律

基于目前研究結(jié)果[28]，接觸角為48°表面的沸騰氣泡在t = 0.152 ms時(shí)刻，具有最大蒸發(fā)功率；而改變表面浸潤性，不僅此氣泡最大蒸發(fā)功率的時(shí)刻不同，氣泡生長階段到脫離階段的轉(zhuǎn)折時(shí)刻不同、氣泡整個(gè)周期也發(fā)生相應(yīng)變化。為表征不同浸潤性對(duì)生長階段沸騰速率的影響，本文統(tǒng)一選取同一時(shí)刻t = 0.152 ms時(shí)，利用Fluent軟件直接調(diào)整固體壁面本征接觸角改變表面浸潤性，對(duì)比其沸騰規(guī)律的區(qū)別。圖3展示了接觸角為48°表面在t = 0.152 ms時(shí)調(diào)整為接觸角為20°時(shí)氣泡形態(tài)隨時(shí)間的演變。通過觀察可見t = 0.152 ms調(diào)控后，氣泡的生長趨勢(shì)主要由橫向生長為主轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向生長為主，氣泡呈現(xiàn)縮脖子的蘑菇狀；親水性可促進(jìn)液體沿微結(jié)構(gòu)表面的吸入，縮小氣泡與壁面的接觸面積，促進(jìn)氣泡向上生長及脫離。圖4展示了不同浸潤性表面氣泡體積隨時(shí)間變化規(guī)律。t = 0.152 ms時(shí)， 接觸角分別為48°和60°的表面上氣泡基本相同為0.065 mm3，90°和110°表面的氣泡體積分別為0.077 mm3和0.087 mm3，相同時(shí)間內(nèi)氣泡沸騰速率分別增大18.5%和33.8%。在48°-20°的表面上，氣泡于t = 1.120 ms脫離，最終時(shí)刻體積為0.40 mm3。60°-20°表面的氣泡于t = 1.13 ms脫離，體積為0.43 mm3，較前者增大7.5%；90°-20°表面的氣泡于t = 1.170 ms脫離，體積為0.57 mm3，增大42.5%。對(duì)于表面接觸角為110°的表面，盡管在相同計(jì)算域中氣泡未實(shí)現(xiàn)完全脫離，但其在t < 0.152 ms時(shí)間內(nèi)已然展示出了疏水性的提高顯著增大了氣泡體積，加速了氣泡生長速度；至t = 0.495 ms，氣泡體積為0.47 mm3，與原48°、原60°以及原90°表面上的氣泡體積相比分別增大74.1%、62.1%和34.3%。以上均表明生長階段調(diào)控表面疏水性可明顯增大氣泡體積。

圖3

圖3   48°-20°表面上氣泡形態(tài)隨時(shí)間t的變化

Fig.3   Variation of bubble shape on 48°-20° with time t

圖4

圖4   氣泡體積Vbubble隨時(shí)間t的變化

Fig.4   Variation of bubble volume Vbubble with time t

利用VOF模型計(jì)算過程可時(shí)時(shí)追蹤氣液界面，進(jìn)而利用曲面積分的數(shù)值方法直接導(dǎo)出氣泡與換熱表面間的接觸面積，圖5(a)展示的是氣泡與換熱表面基底的接觸面積Ab-s隨時(shí)間的變化規(guī)律。根據(jù)之前研究[35]，氣泡的單個(gè)周期可分為生長階段和脫離階段，氣泡在基底的接觸面積減小后不再回升的時(shí)刻，為開始進(jìn)入脫離階段的臨界時(shí)刻，即生長階段和脫離階段的分界時(shí)刻?；谝陨戏治觯?a >圖3(a)可知在48°-20°的表面上氣泡于t = 0.45 ms進(jìn)入脫離階段，60°-20°表面上的氣泡在t = 0.42 ms進(jìn)入脫離階段，提前6.7%；疏水性較強(qiáng)的原90°和原110°表面上曲線規(guī)律性不如原48°和60°表面明顯，但仍可認(rèn)為氣泡分別于t = 0.37 ms和t = 0.27 ms進(jìn)入脫離階段, 分別提前17.7%和40.0%。生長階段疏水性增強(qiáng)了氣泡在微結(jié)構(gòu)間的鋪展，t = 0.15 ms時(shí)48°表面上底面接觸面積為0.10 mm2，60°、90°和110°表面上底面接觸面積分別為0.11、0.18和0.23 mm2，分別增大了10.0%、80.0%和130.0%。由于微結(jié)構(gòu)的存在能夠改善表面沸騰換熱性能，因此與微結(jié)構(gòu)間有更大接觸面積意味著具有更加高效的微層和氣液界面蒸發(fā)功率。

圖5

圖5   氣泡與壁面接觸面積隨時(shí)間t的變化

Fig.5   Variation of contact area between bubble and surface with time t

圖5(b)展示的是氣泡與微柱側(cè)壁面接觸面積Ab-p隨時(shí)間的變化規(guī)律。氣泡在生長階段不斷包覆微柱并向周圍迅速擴(kuò)張，接觸面積曲線近似直線增加。表面疏水性增強(qiáng)使氣泡的擴(kuò)張更加顯著，110°表面上的曲線斜率是48°和60°曲線斜率的近兩倍。對(duì)于48°表面，氣泡與側(cè)壁面接觸的面積在t = 0.152 ms之前迅速增大，變?yōu)?0°之后短暫下降。原因如2.2節(jié)所述氣泡與微柱表面間形成的薄液膜，由周圍飽和液體沿界面內(nèi)流產(chǎn)生，減小了氣泡與側(cè)壁面的接觸面積；由于在t = 0.152 ms時(shí)氣泡均處于強(qiáng)烈的生長階段，氣泡繼續(xù)包覆微柱使接觸面積重新增加至t = 0.495 ms，之后隨氣泡向上逐漸加快脫離微柱逐漸減小為0。在t = 0.15 ms時(shí)，90°和110°表面上的底面接觸面積相比48°表面分別增大了0.8倍和1.3倍，與側(cè)壁面的接觸面積則分別增大0.35倍和0.9倍，說明氣泡在微結(jié)構(gòu)底面的擴(kuò)展受浸潤性影響更明顯，生長階段疏水性導(dǎo)致更大的底面鋪展面積。

2.2 浸潤性引起的界面曲率變化及受力分析

圖6顯示了在t = 0.15 ms時(shí)，48°、60°、90°和110°表面y = 0截面上氣泡溫度云圖與形態(tài)對(duì)比。通過對(duì)比氣泡在微結(jié)構(gòu)間部分的占比大小，可發(fā)現(xiàn)疏水表面使氣泡更易橫向鋪展，是由微柱間隙的黏附力增大導(dǎo)致。圖7顯示了在t = 0.50 ms時(shí)，原48°、60°和90°表面以及t = 0.495 ms時(shí)110°表面y = 0截面上氣泡的溫度云圖與形態(tài)對(duì)比，可見原疏水性越強(qiáng)的表面上氣泡包裹的微柱越多，其處于熱邊界層區(qū)域內(nèi)的部分越多，更有利于熱量的交換。

圖6

圖6   溫度分布云圖(t = 0.15 ms，y = 0截面)

Fig.6   Temperature distribution with y = 0 at t = 0.15 ms

圖7

圖7   溫度分布云圖(t = 0.5 ms，y=0截面)

Fig.7   Temperature distribution with y=0 at t = 0.5 ms

為分析親疏水性分段調(diào)控對(duì)微柱結(jié)構(gòu)間氣泡界面受力的影響，將氣泡受力以微柱柱頂高度為界分為方向豎直向下的Fsa與豎直向上的Fsb，如圖7(a)所示。簡化認(rèn)為Fsa和Fsb可分別代表壁面吸附力和浮力的物理作用，氣泡所受合力可表示為：

Fs=Fsa+Fsb(1)

根據(jù)Young-Laplace公式，氣泡彎液面所受的表面張力Fs與曲率半徑R的關(guān)系為：

Fs=2γR$F_s=\frac{2\gamma }{R}$(2)R=1κ$R=\frac{1}{\kappa }$(3)

式中,γ為表面張力系數(shù)，N/m；κ為界面曲率。

對(duì)比觀察圖7(a)、(b)中紅色圓圈部分，原60°表面上的氣泡與原48°表面相比，位于兩個(gè)柱頂之間的氣液界面下沉，曲率κ增大曲率半徑R減小，沿著氣泡下半界面方向向上的Fsb增大，壁面吸附力Fsa因親水性而減弱，導(dǎo)致合力Fs增大，促使氣泡向上運(yùn)動(dòng)加快脫離。親水性調(diào)控使氣泡周圍飽和流體沿界面回流形成新薄液膜區(qū)域，對(duì)比觀察圖7(a)與圖7(b)、(c)，可發(fā)現(xiàn)該區(qū)域取代了部分氣泡與微柱壁面直接接觸形成的干燒區(qū)，使相變換熱量增加、蒸發(fā)速率提高，黑色圓圈所標(biāo)識(shí)的微柱間隙內(nèi)出現(xiàn)了部分低溫區(qū)域。通過觀察圖7(d)，薄液膜區(qū)域在原110°表面微柱側(cè)壁上并不明顯，但相似低溫區(qū)域在右側(cè)微柱上半部分的黑色圓圈內(nèi)出現(xiàn)，說明110°-20°的表面上仍存在一定程度的薄液膜效應(yīng)。

2.3 成核點(diǎn)過熱度的演變規(guī)律

經(jīng)以上分析，分段調(diào)控浸潤性對(duì)氣泡整個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程具有重要影響。疏水性使氣泡在微結(jié)構(gòu)間橫向擴(kuò)展以加強(qiáng)換熱，親水性使界面曲率提高加快脫離，微液膜效應(yīng)增強(qiáng)使得基底壁面溫度迅速降低，表面過熱度明顯下降。

圖8為成核點(diǎn)處過熱度隨時(shí)間的變化曲線，壁面過熱度在加載種子氣泡后的短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)，隨后因氣泡體積增大吸熱能力增強(qiáng)而不斷降低；當(dāng)氣泡進(jìn)入脫離階段之后，隨著氣泡與基底接觸面積的減小與蒸發(fā)功率的減弱，過熱度重新回升。原48°、60°和90°表面上成核點(diǎn)過熱度分別從t = 0.330 ms、0.500 ms和0.620 ms開始回升，至氣泡完全脫離微結(jié)構(gòu)為止。原48°和原60°表面上的回升速度分別為2.0 K/ms和1.5 K/ms，90°表面上則為2.5 K/ms，說明氣泡的脫離速度更快。60°表面上成核點(diǎn)處溫度始終高于48°表面，但根據(jù)氣泡體積與微結(jié)構(gòu)的接觸面積變化以及下文所述的蒸發(fā)功率規(guī)律，仍可認(rèn)為其整體換熱情況強(qiáng)于48°表面。

圖8

圖8   成核點(diǎn)過熱度ΔT隨時(shí)間t的變化

Fig.8   Variation of superheat ΔT at the nucleation site with time t

2.4 氣液界面和微層蒸發(fā)功率

圖9展示了氣泡的微層蒸發(fā)功率qml和氣液界面蒸發(fā)功率qlv隨時(shí)間的變化規(guī)律。氣泡微層的蒸發(fā)和氣液界面的蒸發(fā)是沸騰氣泡傳熱的兩個(gè)主要來源。通過對(duì)比分析蒸發(fā)速率的變化，可研究核態(tài)沸騰傳熱受浸潤性分段調(diào)控的影響。

圖9

圖9   氣泡蒸發(fā)功率隨時(shí)間t的變化

Fig.9   Variation of evaporation rate with time t

微層部分的蒸發(fā)對(duì)沸騰氣泡傳熱具有重要貢獻(xiàn)。由圖9(a)微層蒸發(fā)功率曲線可以看出，經(jīng)過在氣泡生長初期的快速增長達(dá)到最大值后，在生長后期和脫離階段逐漸減小，最后在氣泡完全脫離時(shí)減小到零。根據(jù)2.1節(jié)中分析，生長階段疏水性增強(qiáng)了氣泡在微結(jié)構(gòu)間的鋪展，與基底的接觸面積增大，微層蒸發(fā)功率相應(yīng)增強(qiáng)。在t = 0.150 ms時(shí)，48°表面微層蒸發(fā)功率為0.30 W，60°、90°和110°表面上微層蒸發(fā)功率分別為0.32、0.49和0.66 W，分別增大6.7%、63.3%和120%，與底面接觸面積的增大規(guī)律相符合。

氣液界面處相變蒸發(fā)量受微結(jié)構(gòu)整體過熱度影響很大。如圖9(b)曲線所示，在生長階段隨著氣泡界面在微結(jié)構(gòu)間的擴(kuò)展，氣液界面換熱增強(qiáng)，之后氣泡主體界面逐漸向上遠(yuǎn)離微結(jié)構(gòu)，周圍液體過熱度逐漸減小，相變過熱度及氣液界面蒸發(fā)功率減小。在氣泡完全脫離微柱之前，氣液界面處的換熱速度已逐漸減小至較低水平。對(duì)于48°表面，接觸角在t = 0.152 ms變?yōu)?0°后，如圖7中所示的薄液膜導(dǎo)致了氣液界面蒸發(fā)功率的提高，t = 0.200 ms時(shí)原60°、原90°和原110°表面上氣液界面蒸發(fā)功率比原48°表面上分別增大2.0%、27.3%和61.5%。

2.5 單周期內(nèi)換熱性能的強(qiáng)化

為了評(píng)估分段調(diào)控浸潤性所產(chǎn)生的強(qiáng)化換熱效果，定義核態(tài)沸騰表面上的總瞬時(shí)蒸發(fā)功率為：

q(t)=Qml+Qlvt=∫t0qmldt+∫t0qlvdtt$q\left(t\right)=\frac{Q_{ml}+Q_{lv}}{t}=\frac{{\int }_0^t{q}_{ml}dt+{\int }_0^t{q}_{lv}dt}{t}$(4)

一個(gè)氣泡完整的周期包括生長、脫離和等待階段。研究結(jié)果[29]表明氣泡在微柱表面上的等待時(shí)間很短，一個(gè)氣泡的周期時(shí)間t0可近似等于生長和脫離階段的時(shí)間，氣泡的離開頻率f0可認(rèn)為近似等于1/t0。因此表面上平均蒸發(fā)功率可以表示為：

qˉ=q(t0)t0f0=qˉ(t0)$\bar{q}=q\left(t_0\right)t_0{f}_0=\bar{q}\left(t_0\right)$(5)

由圖10可知，氣泡在48°-20°的換熱表面上的平均蒸發(fā)功率為0.36 W，60°-20°和90°-20°表面上則為0.39和0.48 W，分別提高8.3%和33.3%。

圖10

圖10   氣泡平均蒸發(fā)功率隨時(shí)間t的變化

Fig.10   Variation of average evaporation rate qˉ$\bar{q}$ with time t

值得注意的是，生長階段和脫離階段內(nèi)的熱流均因疏水性調(diào)控而明顯提高，在48°-20°的表面上生長階段內(nèi)的平均熱流為0.57 W，60°-20°和90°-20°的表面上則分別為0.63 W和0.77 W，分別提高了10.5%和35.1%。脫離階段內(nèi)的平均熱流可以通過單周期熱流減生長周期熱流后再除以脫離階段時(shí)間得到，在48°-20°的表面上脫離階段內(nèi)的平均熱流為0.22 W，60°-20°和90°-20°的表面上則分別為0.25 W和0.35 W，分別提高了13.6%和59.1%。由以上分析可知，生長階段疏水性調(diào)控使氣泡全周期范圍內(nèi)的換熱性能均可明顯改善。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)單氣泡在150 μm高度微柱表面的核態(tài)沸騰過程，采用CFD-VOF方法建立數(shù)值計(jì)算模型，在48°-20°表面核態(tài)沸騰的基礎(chǔ)上，對(duì)生長階段表面浸潤性分別調(diào)控疏水性后同時(shí)變?yōu)橛H水性。通過分析浸潤性改變帶來的氣泡的動(dòng)力學(xué)與傳熱性能變化，得到如下主要結(jié)論。

（1）表面浸潤性調(diào)控對(duì)氣泡生長脫離過程有重要影響，生長階段疏水性有效增大了氣泡體積。48°-20°的表面上脫離時(shí)刻的氣泡體積為0.40 mm3，60°-20°和90°-20°表面的氣泡體積則分別為0.43 mm3和 0.57 mm3，分別增大了7.5% 和42.5%。

（2）微柱表面對(duì)氣泡的黏附力因生長階段疏水性增強(qiáng)而增大，氣泡在微結(jié)構(gòu)間生長時(shí)發(fā)生了更多的橫向鋪展，0.150 ms時(shí)氣泡與110°表面之間的底面接觸面積增加1.3倍，微層蒸發(fā)功率增加1.2倍。接觸角調(diào)控20°后不僅表面吸附力減小，合力增強(qiáng)促使氣泡加快脫離，而且氣泡與微柱壁面間形成的薄液膜減弱了干燒，增強(qiáng)了氣泡傳熱。

（3）60°-20°和90°-20°表面上單周期熱流相比48°-20°表面分別提高8.3%和33.3%。在生長階段調(diào)控疏水性后，生長階段熱流和脫離階段熱流均得到明顯提高，全周期范圍內(nèi)的換熱性能得到明顯改善。

符 號(hào) 說 明