微细矩形窄通道内微纳结构修饰表面的强化沸腾换热研究

传统的单相强化传热方式已不足以满足设备功率密度的急剧增加和设备微型化对换热装置的紧凑性及高效性要求。利用蒸发潜热的微尺度沸腾相变冷却技术被认为是解决当下高热流器件热管理问题最有前景的方法之一。然而微细通道内沸腾流动换热特性研究仍有很大的不足,其强化传热机理认识尚有欠缺。与此同时,微/纳米尺度改性结构对传热面上流动沸腾过程有显著影响。亟需全面及细观的参数化实验测试与数值仿真。本文通过对微细通道内具有各类表观样貌参数的微纳尺度结构修饰表面的流动沸腾传热特性进行研究,通过精密仪器测量和高速摄像观测探究运行工况如热流密度、质量流量及入口干度等以及传热面表观相貌如微纳尺度结构以及润湿(异质)性分布等对微细通道内流动沸腾过程热力水工特性和气泡动力学及两相流型的影响。通过观察和分析气泡动力学及相变界面运动演化规律,结合沸腾曲线、换热系数与两相压降等深入探究微纳结构修饰表面强化传热机理,有助于补充和完善高效沸腾强化传热理论并应用于微细通道冷却热沉中。本文首先对现阶段微细通道内流动沸腾换热研究以及微纳结构强化沸腾换热进行了详尽综述和讨论,并对微细通道流动沸腾实验系统和实验装置进行了介绍,详细阐述了实验方法与实验数据处理过程以及高速相机观测系统和相应可视化流型处理技术,进行了单相换热及压降实验验证其可靠性。构造具备超疏水润湿性的微米尺度三维多孔铜结构表面。首先对其过冷沸腾曲线进行分析,通过起始沸腾预测公式对测试表面的起始沸腾特性进行研究,最后就质量流量和热流密度等工况对表面传热系数和压降的影响进行了讨论。多孔铜表面由于可以极大促进核态沸腾换热过程,并且超疏水润湿性使得气泡成核后难以脱离汽化核心腔,因此其换热系数不受质量流量影响而只随热流密度增加而增加,呈现核态沸腾占主导传热机理的特征。制备得到具有微米级尺寸高度和直径的氧化锌微米杆表面,随后通过实验测试结合可视图像处理等手段探究其对过冷沸腾过程起始核态沸腾以及气泡动力学特征以及饱和流动沸腾传热压降特性的影响。随着过冷沸腾实验热流增加,传热面上两相流型由间歇性孤立/弹状流过渡到弹状气泡流/环形流域占主导地位,壁面温度波动将大为遏制,其换热特性亦随热流密度增加而大幅增加。制备具有超亲水润湿性的SiO_2纳米颗粒镀膜表面。系统分析表面润湿性、热流密度、入口干度和质量流量对微细通道内饱和流动沸腾换热特性的影响,进一步通过后续流型图像处理结合理论分析探讨改性结构潜在强化传热机理。纳米颗粒镀膜表面由于表面超亲水润湿性能维持稳定气液界面分布,在高入口干度下性能更优。当质量流量增加,惯性力影响相应增加,大大减弱了表面润湿性和壁面热流密度的影响,因此测试表面换热特性相近。通过设计系列异相分布图案转移至传热基底流程方案,实现构造亲/疏水条纹图案交替的润湿异质性表面。润湿异质性图案促进气泡脱离并防止相邻汽化核心腔的成核气泡间过早聚合形成气膜,同时亲水区域可以起到补充液体和限制气泡接触直径的作用,防止局部干涸产生,显著强化润湿异质性表面传热特性。采用计算流体力学方法,在开源软件OpenFOAM平台下,通过数值模拟方法研究微细矩形窄通道内超亲水表面上环形流域的饱和沸腾换热特性,与实验测量换热系数进行对比验证。通过数值仿真手段讨论了质量流量、热流密度和入口干度对微尺度沸腾相变过程局部流场、相界面、温度场以及相变源项分布的影响。