納米結構表面噴流沸騰臨界熱流密度的實驗和理論研究

《納米結構表面噴流沸騰臨界熱流密度的實驗和理論研究》是依託上海交通大學，由劉振華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米結構表面噴流沸騰臨界熱流密度的實驗和理論研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉振華
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

最大熱流密度一直是傳熱學領域一個重要研究目標,在各種穩態傳熱方式中，噴流沸騰是提高最大熱流密度的最有效傳熱形式。本研究目標之一是在各種納米結構形成的超親水傳熱面上，將實驗獲得的最大熱流密度增加到接近理論極限值，這在實驗傳熱學上將是一個突破性進展，達到一種指標性成果。另一個重要目標是通過選用不同的納米結構傳熱面獨立地控制表面固液接觸角和粗糙度，研究表面特性對噴流沸騰換熱特性和臨界熱流密度的影響。同時也通過實驗對噴流沸騰進行可視化觀察，確定極限條件下的氣泡動力學現象。在實驗基礎上，從理論上將描述池內沸騰危機的乾斑理論擴展到噴流沸騰領域，建立適用於噴流沸騰危機的數學模型並進行數值計算，揭示滯止區內水噴流沸騰的臨界熱流密度與各物理參數之間的關係，建立針對噴流沸騰的臨界熱流密度理論。

結題摘要

噴流沸騰是提高最大熱流密度的最有效傳熱形式，本研究目標是在各種納米結構形成的超親水傳熱面上，將實驗獲得的最大熱流密度增加到接近理論極限值。通過選用不同的納米結構傳熱面獨立地控制表面固液接觸角和粗糙度，研究表面特性對噴流沸騰換熱特性和臨界熱流密度的影響。從理論上建立適用於噴流沸騰危機的理論模型，揭示滯止區內水噴流沸騰的臨界熱流密度與各物理參數之間的關係，建立針對噴流沸騰的臨界熱流密度預示公式。 首先，本研究結合薄液膜底層的Helmholtz失穩理論和噴流沸騰加熱表面氣泡造成的湍流擾動現象，首次提出了一個適用於光滑面上過冷噴流沸騰臨界熱流密度（CHF）的圓柱形噴流和細長噴流的理論模型，在簡化的傳熱學和流體力學模型下得到了一個可以將物性，傳熱學條件和流體力學條件都包括進去的臨界熱流密度預示公式。對其傳熱面納米特性表面固液接觸角的影響通過大量試驗研究獲得普適性的公式常數，最終建立了完整和簡捷的全系統預示公式。 本研究通過各種物理，化學以及電化學方法在銅，鋁，不鏽鋼和鎳金屬表面沉積和製備了納米結構傳熱表面。其中有代表性的是採用食人魚溶液表面羥基化方法製備SiO2納米結構親水薄膜。同時，用在親水表面基礎上進行完成疏水分子組裝的方式製備疏水面。這些納米特性表面的表面粗糙度基本保持相同，而固液接觸角可以任意調節，這種換熱面為理論研究建立了實驗基礎，同時也使得極限熱流密度的實際工程套用可以實現。 以往的自由區噴流和滯止噴流沸騰研究中噴流速度都比較低，不超過10m/s，本研究擴大了流速範圍到50m/s。實驗發現高速噴流和低速噴流的不同，CHF和流速以及液體過冷度之間關係十分複雜，存在複雜耦合關係，並通過簡潔的理論簡化方法預示這種變化規律。 本研究對親水和疏水特性的2種納米特性表面，使用圓柱噴流，細長窄縫和短粗窄縫3種噴嘴和傳熱面幾何條件，對具有不同傳熱面形貌和固液接觸角的傳熱面上高速水噴流沸騰的沸騰臨界熱流密度進行了系統的穩態實驗研究，重點考察了噴流速度，過冷度，傳熱面固液接觸角以及噴嘴幾何條件對臨界熱流密度以及傳熱係數的影響。通過研究整理實驗數據，對飽和液與過冷液高速噴流沸騰換熱係數和臨界熱流密度的理論關係式進行了綜合驗證，擴展和改進了理論方程，使理論公式擴展到高流速範圍和廣泛的固液接觸角和噴嘴幾何範圍。