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

陳宏霞，李林涵，高翔，王逸然，郭宇翔

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206）

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(rùn)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(lái)熱門(mén)的強(qiáng)化表面換熱的研究方向。

表面浸潤(rùn)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(guò)高速相機(jī)觀察到疏水表面氣泡容易匯聚，生長(zhǎng)脫離周期較長(zhǎng)。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?chē)后w可顯著降低表面過(guò)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(rùn)性改性可改變氣泡動(dòng)力學(xué)特性，從單氣泡的生長(zhǎng)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(guò)程中起主導(dǎo)作用。Wang 等[15]認(rèn)為無(wú)改性表面上的氣泡生長(zhǎng)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(rùn)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(zhǎng)。

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(rùn)性換熱表面的強(qiáng)化機(jī)理也逐漸清晰。Liang 等[17]通過(guò)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(rùn)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(rùn)濕性的增加會(huì)強(qiáng)化表面的再潤(rùn)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(rùn)濕表面提供的成核位點(diǎn)密度增大，氣泡經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)熱度達(dá)到20 K時(shí)，與純銅表面相比HTC 最大增強(qiáng)超過(guò)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(guò)熱度和表面?zhèn)鳠嵝阅?，交錯(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(rùn)性調(diào)控具有明顯的便利性，混合浸潤(rùn)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(guò)熱度以及親水表面在高過(guò)熱度時(shí)的換熱優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)柱頂103°、底部53°的浸潤(rùn)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(rùn)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(lái)利用浸潤(rùn)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(rùn)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(zhǎng)脫離階段的不同時(shí)刻入手，有目的性地進(jìn)行表面浸潤(rùn)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chēng)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(mǎn)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(guò)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(kāi)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 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 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(zhǎng)脫離過(guò)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(jiàn)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(zhǎng)階段初期快速蒸發(fā)[33]，本文采用簡(jiǎn)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(guò)程可見(jiàn)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(rùn)性，不僅此氣泡最大蒸發(fā)功率的時(shí)刻不同，氣泡生長(zhǎng)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(rùn)性對(duì)生長(zhǎng)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(rùn)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(guò)觀察可見(jiàn)t=0.152 ms調(diào)控后，氣泡的生長(zhǎng)趨勢(shì)主要由橫向生長(zhǎng)為主轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向生長(zhǎng)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(zhǎng)及脫離。圖4展示了不同浸潤(rùn)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(zhǎng)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(zhǎng)階段調(diào)控表面疏水性可明顯增大氣泡體積。

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 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(guò)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(zhǎng)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(kāi)始進(jìn)入脫離階段的臨界時(shí)刻，即生長(zhǎng)階段和脫離階段的分界時(shí)刻。基于以上分析，由圖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(xiàn)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(zhǎng)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 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(zhǎng)階段不斷包覆微柱并向周?chē)杆贁U(kuò)張，接觸面積曲線(xiàn)近似直線(xiàn)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(xiàn)斜率是48°和60°曲線(xiàn)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?chē)柡鸵后w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(zhǎng)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(shuō)明氣泡在微結(jié)構(gòu)底面的擴(kuò)展受浸潤(rùn)性影響更明顯，生長(zhǎng)階段疏水性導(dǎo)致更大的底面鋪展面積。

2.2 浸潤(rùn)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(guò)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(jiàn)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 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

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(jiǎn)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：

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：

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?chē)柡土黧w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(guò)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(shuō)明110°?20°的表面上仍存在一定程度的薄液膜效應(yīng)。

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

2.3 成核點(diǎn)過(guò)熱度的演變規(guī)律

經(jīng)以上分析，分段調(diào)控浸潤(rùn)性對(duì)氣泡整個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)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(guò)熱度明顯下降。

圖8 為成核點(diǎn)處過(guò)熱度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，壁面過(guò)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(guò)熱度重新回升。原48°、60°和90°表面上成核點(diǎn)過(guò)熱度分別從t= 0.330 ms、0.500 ms 和0.620 ms 開(kāi)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(shuō)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 成核點(diǎn)過(guò)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(lái)源。通過(guò)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(rùn)性分段調(diào)控的影響。

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(xiàn)可以看出，經(jīng)過(guò)在氣泡生長(zhǎng)初期的快速增長(zhǎng)達(dá)到最大值后，在生長(zhǎng)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(zhǎng)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。

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

氣液界面處相變蒸發(fā)量受微結(jié)構(gòu)整體過(guò)熱度影響很大。如圖9(b)曲線(xiàn)所示，在生長(zhǎng)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?chē)后w過(guò)熱度逐漸減小，相變過(guò)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(rùn)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：

一個(gè)氣泡完整的周期包括生長(zhǎng)、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(zhǎng)和脫離階段的時(shí)間，氣泡的離開(kāi)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：

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 氣泡平均蒸發(fā)功率隨時(shí)間t的變化Fig.10 Variation of average evaporation rate qˉwith time t

值得注意的是，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)單周期熱流減生長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)階段表面浸潤(rùn)性分別調(diào)控疏水性后同時(shí)變?yōu)橛H水性。通過(guò)分析浸潤(rùn)性改變帶來(lái)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(rùn)性調(diào)控對(duì)氣泡生長(zhǎng)脫離過(guò)程有重要影響，生長(zhǎng)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(zhǎng)階段疏水性增強(qiáng)而增大，氣泡在微結(jié)構(gòu)間生長(zhǎng)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(zhǎng)階段調(diào)控疏水性后，生長(zhǎng)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(shuō) 明

Ab?p——?dú)馀菖c微柱側(cè)壁及柱頂?shù)慕佑|面積，mm2

Ab?s——?dú)馀菖c除微柱外的底面的接觸面積，mm2

Fsa——表面吸附力，N

Fsb——浮力，N

q——蒸發(fā)功率，W

γ——表面張力系數(shù)，N/m

θ——表面靜態(tài)接觸角，(°)

κ——?dú)庖航缑娴那?，m?1

下角標(biāo)

lv——?dú)庖航缑?/p>

ml——微層

sat——飽和狀態(tài)