第 1 章  緒論

1.1  研究背景及意義
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和動力資源，是制約國民經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一。近幾十年來，伴隨社會的不斷進步，世界能源的消耗量急劇增長，不可再生的常規(guī)能源面臨枯竭的危險，新型能源的開發(fā)應(yīng)用滯后，使能源局勢日趨緊張。在能源的消耗中,熱能仍然是最主要的消耗形式。例如煤炭、石油等各種燃料的化學(xué)能需要先轉(zhuǎn)換成熱能，才能進而轉(zhuǎn)換成機械能或電能。因此提高熱能利用率,提高能源轉(zhuǎn)換效率可以有效的緩解能源危機。 強化傳熱是一種能夠顯著改善傳熱性能的先進技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為現(xiàn)代傳熱科學(xué)中十分引人注目的研究領(lǐng)域。傳熱的具體形式主要包括自然對流、強制對流、蒸發(fā)和沸騰傳熱。 圖 1.1[1]對比了幾種典型的冷卻方式的傳熱能力，可見沸騰較傳統(tǒng)的風(fēng)冷以及單相液體冷卻具有較大的優(yōu)勢，沸騰傳熱效率的高低直接決定著能源轉(zhuǎn)換或利用的效率。沸騰傳熱因在較小的過熱度條件下可以獲得極大的傳熱系數(shù)，在核能、航空航天、冶金、制藥、電子等技術(shù)領(lǐng)域和能源、動力等工業(yè)實踐中得到了極其迅速的發(fā)展，也一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。 通過 Nukiyama 曲線[2]可知核態(tài)沸騰區(qū)域在沸騰換熱中有最高的換熱效率，因此沸騰傳熱在工業(yè)中的應(yīng)用主要集中于核態(tài)沸騰區(qū)。影響沸騰換熱性能的主要因素有熱通量、飽和壓力和工作介質(zhì)的熱物理性質(zhì)。同時沸騰表面材料的熱物理性質(zhì)，尺寸規(guī)模、厚度、表面粗糙度和表面微結(jié)構(gòu)也是影響沸騰換熱系數(shù)的重要因素[3]。在低熱流密度段內(nèi)隨熱流密度的增大，過熱度急劇增加。在相同的熱流密度下，提過沸騰換熱系數(shù)可以有效減小換熱表面的溫度，從而避免高溫對設(shè)備材料的破壞。 
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1.2  強化沸騰傳熱技術(shù)研究現(xiàn)狀
池沸騰稱大容器沸騰，是研究沸騰換熱的最基礎(chǔ)手段。核態(tài)池沸騰是一種成核現(xiàn)象，，它包括汽泡的產(chǎn)生、汽泡的生長以及汽泡的脫離 3 個階段。強化核態(tài)池沸騰傳熱方法的提出和實施也是從提高這 3 個階段的效率入手的。在工程應(yīng)用和科學(xué)研究中，強化核態(tài)沸騰的技術(shù)手段可以歸納為以下 3 個方面[4]： （1）  強化表面法。既包括通過物理方法不改變表面性質(zhì)，又包括通過化學(xué)方法改變表面性質(zhì)的強化方法。這兩種方法都可以大幅度增加活性核化沸騰點的密度，在傳熱溫差較小的情況下獲得較大的傳熱通量。該種方法在低品位熱能開發(fā)利用及電子元件冷卻方面有著廣泛的應(yīng)用。 （2）  加入添加劑法。其主要途徑是利用顆粒增加汽泡的移動速率，或利用添加劑的物理化學(xué)性質(zhì)改變傳熱表面的潤濕性，提高汽泡的生長速度和脫離頻率。這種方法可有效地提高核態(tài)沸騰的沸騰滯后現(xiàn)象。 （3）  外加矢量場法。通過外加力場或磁場的方法改善汽泡的沸騰行為。這類方法屬于利用流場與外加力場的耦合作用來強化傳熱。 
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1.2.1  表面強化法對沸騰換熱影響
Jacob 和 Frittz[5]利用噴砂和機械切削分別制備出具有矩形溝槽的兩種表面用于沸騰試驗，試驗結(jié)果顯示噴砂所制造出來的沸騰表面比光滑表面增強了約 15%的性能，而矩形切削溝槽沸騰表面較光滑表面增強了約 3 倍的換熱性能，其增強沸騰換熱性能的作用會隨著時間增長而遞減。 Kurihara 和 Myers[6]通過對砂紙研磨后的沸騰表面和光滑表面沸騰換熱性能進行試驗對比，發(fā)現(xiàn)有效成核位置的增加是增強沸騰傳熱系數(shù)的主要原因。由砂紙研磨所制造的沸騰表面有效地增大了單位面積內(nèi)的有效成核位置，這些人造的有效成核位置將會使沸騰的起始過熱度低于自然成核位置所需的沸騰起始過熱度。 Griffith 和 Wallis 等[7]認為，人造有效成核位置的開口大小決定了沸騰起始所需的過熱度，而人造成核位置的幾何形狀則是決定了其能否成為穩(wěn)定有效成核位置的重要因素。 
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第 2 章  多尺度仿生交錯潤濕性表面的制備

2.1 幾種表面潤濕性討論 
在多相流中,氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線穿過液體與固-液交界線之間的夾角即為接觸角（Contact angle ,CA）。當(dāng)固體不能完全被液體覆蓋，且液體具有自由界面時，液體并不會在固體表面完全鋪展開，而是在其上形成一個液滴，并與固體表面成一角度，即所謂的接觸角。 Young’s 方程是界面化學(xué)的基本方程之一，也是研究固體表面潤濕現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。它是建立于理想條件下的方程，即固體表面平滑、組成均勻及各向同性。但在通常條件下，固體表面或有一定得粗糙度或化學(xué)組成不均一，因此Young’s 方程只能用作對通常的狀況作出定性的指導(dǎo)。對于本文設(shè)計加工的微正方柱表面，因為表面或是不平滑的，或是即不平滑表面材料也不均一，因此楊氏方程并不適用。 
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2.2 多尺度仿生交錯潤濕性表面的設(shè)計
多尺度交錯潤濕性表面（圖 2.3）是指在不同尺度的分層微結(jié)構(gòu)(正方柱)表面基底的不同位置處制備納米結(jié)構(gòu),使微結(jié)構(gòu)表面具有上層親水下層疏水（或上層疏水下層親水）的交錯潤濕性。 本文交錯潤濕性熱功能表面的制備思路為：應(yīng)用線切割的方法在紫銅基底上加工出不同尺寸的正方柱結(jié)構(gòu)，規(guī)定每個微方柱結(jié)構(gòu)的上表面為上層，側(cè)面及底面為下層。分別在上層或下層表面沉積納米結(jié)構(gòu)來改變由線切割加工后紫銅表面原來的潤濕性，使表面具有交錯潤濕的特性。本文提及的多尺度主要是指每個換熱表面上不僅有毫米級的溝槽結(jié)構(gòu)、微米級的由線切割加工工藝決定的表面粗糙度還有納米級的疏水結(jié)構(gòu)。 沸騰試驗件材料為紫銅。紫銅即為銅單質(zhì),因其顏色為紫紅色而得名，其熱導(dǎo)率為 400 W/m·K，導(dǎo)熱性能較好。沸騰試驗件宏觀尺寸分別為長 40 mm 寬 40 mm 高 10 mm。試驗件的四條棱邊加工有半徑為 5 mm 的圓角，以保證和隔熱保溫模塊配合時為面配合，增強密封性。沸騰表面的微正方柱的結(jié)構(gòu)由槽寬、肋寬和深度決定（圖 2.4）。 
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第 3 章  不同潤濕性表面飽和核態(tài)池沸騰試驗 .......... 27 
3.1 沸騰傳熱基礎(chǔ)........ 27 
3.2 試驗測試系統(tǒng)概述........ 31 
3.3 加熱模塊的設(shè)計及相關(guān)參數(shù)計算原理.... 33
3.4 試驗誤差分析........ 35 
3.5  試驗方案及系統(tǒng)可靠性驗證....... 36 
3.6  試驗結(jié)果分析....... 40 
3.7  汽泡動力學(xué)相關(guān)分析........... 42
3.8 本章小結(jié)........ 50 
第 4 章  多尺度仿生交錯潤濕性表面飽和核態(tài)池沸騰試驗 ...... 51 
4.1 試驗方案........ 51 
4.2  試驗數(shù)據(jù)分析....... 52 
4.2.1 極差分析 ..... 52 
4.3 沸騰起始時汽泡成核位置分析.... 54 
4.4  本章小結(jié)....... 57 
第 5 章  多種潤濕性表面汽泡生長數(shù)值計算 ...... 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 前處理 ........ 61 
5.3 結(jié)果分析........ 64 
5.4 本章小結(jié)........ 67

第 5 章  多種潤濕性表面汽泡生長數(shù)值計算 

第三章試驗說明，相同微結(jié)構(gòu)尺寸下仿生交錯潤濕性表面具有最優(yōu)的沸騰換熱性能，但其高性能換熱機理尚不十分清楚。本章利用 CLSVOF（Coupled Level-Set and Volume Of Fluid）方法對同一微結(jié)構(gòu)尺寸下的四種潤濕性表面的汽泡生長情況進行分析（二維），對比光滑表面揭示仿生交錯潤濕性表面高性能換熱機理。 

5.1   CLSVOF 方法概述 

在計算流體力學(xué)領(lǐng)域中，界面分層問題普遍存在。例如明渠的流動、流化床、汽泡的生長、冷凝及燃燒反應(yīng)等。這些問題既包括水-汽（氣）界面，也包括相變或無相變的模型。界面的描述與追蹤一直是多相流領(lǐng)域的熱點及難點。Level-Set 與 VOF 方法均屬于界面捕捉類方法，它們均在歐拉網(wǎng)格下構(gòu)造，都用一個標(biāo)量函數(shù)描述界面的幾何形態(tài)，都具有魯棒的拓撲處理能力。但二者也有較大的區(qū)別。首先二者描述界面的方法不同；其次 VOF 方法能夠精確地保證質(zhì)量守恒，而 Level-set 方法則不包括質(zhì)量守恒方程；第三，Level-Set 方法能夠精準(zhǔn)的捕獲幾何信息，能夠自動捕捉幾何變形。二者的差異見表 5.1。 

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結(jié)論 

（1）受納米布沙漠甲蟲背部交錯潤濕性結(jié)構(gòu)能夠促進質(zhì)量的傳遞及微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計制備了分層的仿生交錯潤濕性表面，并通過試驗證明了其表面交錯潤濕。 
（2）開展了仿生表面在低熱流密度下的飽和核態(tài)池沸騰試驗，并和其它潤濕性表面的換熱性能進行對比，發(fā)現(xiàn)仿生交錯潤濕并表面具有更強的沸騰換熱性能，微結(jié)構(gòu)尺寸相同時，其沸騰換熱系數(shù)最大為微結(jié)構(gòu)表面的 1.8 倍，為全納米結(jié)構(gòu)表面的 1.47 倍。 
（3）疏水的納米結(jié)構(gòu)在飽和核態(tài)池沸騰換熱中能夠促進汽泡的脫離。在微結(jié)構(gòu)的上下層全部覆蓋納米結(jié)構(gòu)并一定能增強沸騰換熱性能，微結(jié)構(gòu)尺寸對其亦有較大的影響。兩種不同的交錯潤濕性表面（上層親水下層疏水或上層疏水下層親水）的換熱性能雖然在試驗的兩種微結(jié)構(gòu)尺寸下均優(yōu)于其它表面，但兩種尺寸下并不是固定的某種交錯潤濕性表面換熱性能強（第一組試驗中上親下疏表面換熱性能最強，第二組試驗中上疏下親表面換熱性能最強）。
（4）應(yīng)用試驗優(yōu)化設(shè)計，通過對單一功率下穩(wěn)定沸騰時的換熱系數(shù)的極差分析，發(fā)現(xiàn)在影響換熱性能的四個因素中有無納米結(jié)構(gòu)對沸騰換熱性能影響最大，其次是深度，再次為槽寬及肋寬。 
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參考文獻(略)

本文編號：38679