2018傳熱傳質(zhì)學年會集

學術會 ，，*， 生汽泡，實現(xiàn)汽泡在加熱壁面的可控分布；且相互的疏水點上產(chǎn)生的汽泡發(fā)生進一步的合并，低階區(qū)域的汽泡向高階區(qū)域發(fā)生定向合并，最終在中心形成大氣泡，促進高熱流密度的壁面中心區(qū)利用沸騰換熱過程中相變潛熱來獲熱流電子器件冷卻領域最具發(fā)展前景的增氣化密度調(diào)潤濕[16]來降低起始沸騰的溫度、提高傳熱性能，在調(diào)節(jié)潤濕性增強沸騰換熱方面，Kim7]等實驗發(fā)現(xiàn)加熱面潤濕性的增強起CHF的作用，但親水表面需要

（HTC，但隨著熱流密度升高快速進入膜態(tài)沸騰，臨界熱流密度（HF）較低。han[0]疏水表面可以更早地促使沸騰汽泡成核，臨界熱流密度(H)更高。為了結(jié)合親水表面提高HFezHF先發(fā)生在親疏水區(qū)域的交界處[]。uroo[1]也發(fā)現(xiàn)親疏水區(qū)域的交界處具有angJno[134]水點，HF受疏區(qū)域在加熱表面的面積比例的影響較大，而HTC受疏水點的直徑、數(shù)量及間距等因水點有望同時強化HTCCHF?，F(xiàn)有中的疏水點陣結(jié)構(gòu)幾乎全[1]（四實際情不符[6]與汽泡長合并中尺度變化的動力學過程考慮不符。文獻查閱發(fā)現(xiàn)均質(zhì)表面上汽泡的尺度分到小尺寸的汽泡從成核點向中心大尺寸計一個親疏水交錯潤濕的具有erpnski非均勻潤濕分形結(jié)構(gòu)及表1先在加熱表面設計了一種具有典型分形特征的非均勻潤濕結(jié)構(gòu)——rpnski地989份，忽略中間的過程，如圖2。為便于工質(zhì)補給，將上述分形表面的藍域設計為親水 1

2Sierpinski2mol/L的鹽酸中超聲波10min后，用去離子水聲波5min取出吹干配置2.5mol/L0.07mol/L過硫酸鉀的混合溶60min后，1小時。3內(nèi)，設置好相應的濺射參數(shù)（濺射時間70w，在紫銅塊表面被掩模板露出的區(qū)域濺射20min得到疏水點按設計圖案分布的非均勻潤（b31所示：無無

4分形非均勻潤濕表面的SEM6所點

27×271.2非均勻潤濕分形表面的微觀結(jié)構(gòu)的SEM如下圖4所示從圖中可以觀察到針叢狀結(jié)構(gòu)上散落分布著團簇狀的結(jié)水點區(qū)域的接觸角為150.1°，親水區(qū)接12.2°。q1KT1T2T2T3T3TW h

TwTf

6池沸騰換熱實驗裝置主要由敞口沸放置高速機，側(cè)面安裝有小型風扇。沿熱傳導方向設置距離為9mm的三個溫10K。一維導熱計算得到壁面溫度TT(T3T2)(T2T1

9mm。為研究表面親疏水點分布形式對產(chǎn)生汽泡的影響，選用相應功率的加熱棒，1K。圖77.K非均勻潤濕表面的沸騰起始壁面過熱度為2.3K71.%面的傳熱系數(shù)小于另外幾個表面的原因。

（c在銅塊中心線某一點的熱流密度可以用以下計算

點處ONB比在親水表面上低，在親水表分布（如中心高四）的實際情況[16]，所以，采用非均勻潤濕Sierpinski地毯圖形結(jié)構(gòu)的表面更符合氣泡生長和熱流密合設計的Sierpinski地毯疏水圖案，實現(xiàn)(a)親水：ΔTsat=7.97K（b）7四種表面在各自的沸騰起始點時的汽泡成而后汽泡一直在成核點處生長至脫離或者合并，即汽泡的“釘扎”現(xiàn)象[8]。得汽泡界面的后退接觸角大于原有疏水面的后退接觸角時，三相線快速向外移動；后從表面離開或者向其他汽泡移動合并。

Sierpinski地毯曲線分形非均勻潤濕表面上各個初始（區(qū)域水點組的疏水域81個初始疏點上的汽泡生合高階（周汽泡向低（的8（3階（1聚也符合散熱壁面熱流密度中心高四的特點進了汽泡生長合以及（a）ΔTsat=2.4K（b）ΔTsat=2.4K（15s后 8低熱流密度區(qū)Sierpinski地毯非均勻潤濕三階疏水點區(qū)的汽泡向二階疏水點10。如圖中紅色圈出的區(qū)在第3ms的時候向一階疏水點區(qū)域9加熱壁面三階疏水點處汽泡向二階疏水點7.83K

圖10二階汽泡向一階大汽泡移動、合并，8.09K910中的三階疏水點slsv，由于汽泡界面附近表Marangoni對流[19]。本研究中設計的分形非均勻潤濕表面有大量疏水點分布，四周向流動的流場結(jié)構(gòu)如下圖11所示為大汽泡周圍Marangoni對流示意汽泡移動、合并，最終在區(qū)域形成越圖11大汽泡周圍Marangoni對流示意分形非均勻潤濕表面的汽泡成長過Marangoni對流的影響，向變短，脫離頻率上升[20]。如圖12所示，左側(cè)為上一個大氣泡脫離的圖像，右側(cè)為接著生成的大氣泡脫離的圖像，圖12（b）中可以觀察到大汽泡由于在該疏水點區(qū)域處汽泡脫離時，脫離壁面，另外一部分留為下一個汽泡的汽化，不需要再等待下一個氣泡符合加熱壁面中心高、四的熱流密度汽泡合并，促進氣泡長大脫離，減小

（b）分形：ΔTsat=10.1K，脫離周期12疏水點陣表面及分形非均勻潤濕表面大汽泡相鄰兩次脫離的及脫離周期疏水點陣表面和分形非均勻潤濕表HTC[7HF（如中心四實際情況[6]erpnki地毯曲線分形特性表面能實現(xiàn)更好的沸騰特性。說明分形非均勻潤濕表面實現(xiàn)了強化沸結(jié)合了親水表面高潤濕性和疏水表面低加汽泡化周的親水性區(qū)域可以實現(xiàn)約束汽泡生長的直徑，水點的可控分布，在高熱流密度區(qū)排9×9的密集小汽泡，形成沸騰表面中效提高加熱壁面高熱流密度區(qū)的沸13分形非均勻潤濕表面、光滑銅表面和疏水

分形非均勻潤濕表面對于汽泡分布了汽泡空間分布與加熱壁面熱流密度分考慮到汽泡分布和加熱壁面高點陣分布特點的分形圖形——Sierpinski地毯曲線為基礎，設計制作了具有Sierpinski地毯曲線分形結(jié)構(gòu)的非均勻潤形區(qū)汽泡向低階區(qū)（即區(qū)）汽泡移動DongEK,DongIY,DongWJ,etal.Reviewofboilingheattransferenhancementon ExperimentalThermal&FluidScience,2015,AhnHS,KimMH.AReviewonCriticalHeatFluxEnhancementWithNanofluidsandSurfaceModification[J].JournalofHeatShojaeianM,Ko?arA.Poolboilingandflowboilingonmicro-andnano-structuredsurfaces[J].ExperimentalThermal&FluidScience,2015,63:45-73.KongX,ZhangY,WeiJ,etal.Experimentalstudyofpoolboilingheattransferonnovelbistructuredsurfacesbasedonmicro-pin-finnedstructure[J].ExperimentalThermal&Fluidence,2018,91.家,.柱狀微結(jié)構(gòu)表面強化沸換熱研究綜述.化工學報,2016,67(1):WEIJinjia,ZHANGYonghai.Reviewofresearchonsurface-enhancedboilingheattransferofcolumnarmicrostructures[J].JournalofChemicalIndustryandEngineering,2016,67(1):97-108.高明,,全曉軍.電場作用下單個沸騰[J].GAOMing,ZHENG,QUANXiaojun.StudyonDynamicCharacteristicsofSingleBoilingBubblesunderElectric Thermophysics,2014,35(07):1387-1390.S.J.Kim,I.C.Bang,J.BuongiornoandL.W.Hu,Surfacewettabilitychangeduringpoolboilingofnanofluidsanditseffectoncriticalheatflux,InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2007(50):4105-4116.,,宣益民.超親水多孔表面?zhèn)浼捌涑胤序v換熱研究.工程熱物理學報,2014,35(8):1606-1609.XUPengfei,LIQiang,XUANYimin.Preparationofsuper-hydrophilicporoussurfaceanditspoolboilingheattransfer[J].JournalofEngineeringThermophysics,2014,35(8):1606-1609.,.超親/疏水性表面池沸騰

熱研究.化工進展201635123793-ZHENGXiaohuan,JIXianbing./hydrophobicsurfacepoolboilingheattransferresearch[J].ChemicalProgress,2016,(12):3793-J.Gavillet,Surfacewettabilitycontrolbynanocoating:Theeffectsonpoolboilingheattransferandnucleationmechanism,InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2009(52):5459-5471.A.R.Betz,J.Xu,H.QiuandD.Attinger,DosurfaceswithmixedhydrophilicandhydrophobicareasenhancepoolboilingAppliedPhysicsLetters,2010(97):141909.B.J.Suroto,M.Tashiro,S.Hirabayashi,S.Hidaka,M.KohnoandY.Takata,EffectsofHydrophobic-SpotPeripheryandSubcoolingonNucleatePoolBoilingfromaMixed-WettabilitySurface,JournalofThermalScienceandTechnology,2013(8):294-308.HJJo,SHKim,HSPark.Criticalheatfluxandnucleateboilingonseveralheterogeneouswettingsurfaces:Controlledhydrophobicpatternsonahydrophilicsubstrate,InternationalJournalofMultiphaseFlow,2014,62(2):101-109.JoHJ,AhnHS,KangSH,etal.Astudyofnucleateboilingheattransferonhydrophilic,hydrophobicandheterogeneouswettingsurfaces[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2011,54(25):5643-5652.MoriS,UtakaY.Criticalheatfluxenhancementbysurfacemodificationinasaturatedpoolboiling:Areview[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2017,108:2534-2557.LeeJ.S.,LeeJ.S.Criticalheatfluxenhancementofpoolboilingwithadaptivefractioncontrolofpatternedwettability.Int.J.HeatMassTransfer,2016,96:504-CCHsu,PHChen.Surfacewettabilityeffectsoncriticalheatfluxofboilingheattransferusingnanoparticlecoatings,InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2012,55(13-14):3713-3719JoHJ,ParkHS,KimMH.Singlebubbledynamicsonhydrophobic–hydrophilicmixedsurfaces[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2016,93:554-565.TangJ,ZhuG,SunL.MicrobubbleemissionboilinginsubcooledpoolboilingandtheroleofMarangoniconve