基于刻蚀处理的池沸腾传热性能实验研究

为探究刻蚀处理铜板表面对池沸腾传热性能的改善效果,搭建了可视化实验平台,制备不同刻蚀浓度和刻蚀时间处理的表面,采用去离子水为工质,进行饱和池沸腾实验.结果表明,氨水刻蚀浓度越大,表面的换热性能越强,氨水刻蚀时间越长,表面换热性能越强.热流密度为43.2 W/cm^(2)时,0.05 mol/L氨水刻蚀4 h表面、0.05 mol/L氨水刻蚀5 h表面、0.05 mol/L氨水刻蚀8 h表面、0.03 mol/L氨水刻蚀4 h表面、0.05 mol/L氨水刻蚀4 h表面和0.10 mol/L氨水刻蚀4 h表面上的换热系数分别提高了46%、92%、105%、36%、45%、78%.此外,对其表面进行表征,结果说明了其优异的沸腾性能.刻蚀处理增强了表面粗糙度,有效面积,从而促进液体的补充,能够在较小的过热度下达到更高的临界热流密度.可视化研究结果表明,刻蚀表面具有更多的成核位点,更小的气泡离开直径和离开频率.这些结果显示出刻蚀表面强化池沸腾换热的潜力.

机加工铜表面可视化池沸腾传热特性实验研究

在标准大气压下,采用经机械加工得到的不同粗糙度铜基表面的紫铜棒在自主设计制造的实验台上进行可视化池沸腾实验,使用高级摄像机记录铜基表面气泡的产生、生长和脱离的沸腾过程,同时用数据采集器记录铜棒不同节点处的温度.经过对比分析得出了光滑表面与不同粗糙程度的机械加工表面的换热特性.结果发现:在低热流密度时,光滑表面最先沸腾,其次是相对较宽的螺纹槽表面开始沸腾;在高热流密度时,槽宽0.3 mm的铜表面气泡脱离频率最快,换热效果最好,槽宽0.1 mm的铜表面产生的气泡较大,脱离频率相对较慢,总体上经机械处理后的表面的气泡脱离频率均强于未经处理过的光滑表面的.对实验数据进行处理,整理出了不同表面对临界热流密度和传热系数的影响趋势.

铜表面-氧化石墨烯纳米涂层池沸腾换热特性实验

石墨烯材料因其优异的导热性能和化学惰性,在核反应堆先进换热设备领域有很大的应用前景。为探索石墨烯材料的强化换热性能,本文采用沸腾沉积法制备氧化石墨烯纳米涂层,开展了氧化石墨烯涂层-去离子水池沸腾换热特性实验。氧化石墨烯纳米流体工质浓度为0.001、0.003、0.005 mg/mL,加热时间控制为1 h和2 h,通过沸腾沉积在裸露铜表面制备6种氧化石墨烯涂层。以此为基础开展池沸腾实验,结果发现氧化石墨烯涂层对池沸腾换热系数的影响很小,但可显著增强池沸腾临界热流密度。从涂层表面润湿性、热导率及形貌结构变化等角度分析了氧化石墨烯涂层对池沸腾换热特性的影响机理。

微多孔铜表面参数对自驱射流强化池沸腾的影响

为强化池沸腾性能,本文基于一种适用于实际池沸腾强化的自驱射流冲击装置,使用R1336mzz(Z)作为工质,微多孔铜表面为加热表面,实验研究了自驱射流装置对沸腾性能的影响,并参数化研究了微多孔表面制备特征对池沸腾性能的影响,如烧结过程中的铜粉粒径尺寸(43µm、66µm、101µm)以及微多孔层厚度与粒径尺寸之比(4、6、10)。研究结果表明,自驱射流装置的置入确保了液体对表面的持续供给以及促进了气泡的脱离,从而有效增强了微多孔铜表面的临界热流密度(CHF)。然而,自驱射流的存在会对沸腾产生抑制作用,从而造成换热性能的轻微恶化,且抑制程度强弱与铜粉粒径尺寸大小呈正相关、与厚度与粒径之比大小呈负相关。参数化研究结果显示,沸腾换热性能随粒径增大而增大、随厚度与粒径之比增大先增大后降低。微多孔铜表面吸液能力均随铜粉粒径以及厚度与粒径之比的增加而提升,并且大部分情形下,搭配自驱射流装置与否,均不会影响其与CHF的线性正相关。但是,当粒径尺寸为101µm时,自驱射流装置会放大其过小的毛细力所带来的润湿劣势,进而造成CHF的偏低。与非微多孔铜表面的标准池沸腾性能相比,本研究的CHF和hNB@CHF提升幅度分别可达189.2%和337.5%,最佳为CHF=72.0W/cm^(2)和hNB@CHF=87.5kW/(m^(2)·K)。

3D打印铜多孔结构池沸腾传热实验研究

采用SLM(选择性激光熔化)技术制备铜多孔结构试样,以去离子水为工质,实验研究SLM工艺参数和多孔结构形式对所制备样品毛细性能及池沸腾传热性能的影响。结果表明:增大激光扫描间距显著提升水在多孔结构内的毛细上升速度和最大上升高度。相比小扫描间距参数制备的试样,大扫描间距试样的毛细上升最大高度提升约29.6%。同时,随着扫描间距的增加,大扫描间距试样的临界热流密度F_(CH)和传热系数C_(HT)均增大。与光滑表面相比,柱状和栅格状结构试样的F_(CH)和C_(HT)明显提升,柱状结构具有更优的传热性能,其F_(CH)和C_(HT)分别增至233.5 W/cm^(2)和12 W/(cm^(2)·K),提升103%和106.9%。这些提升是由于柱状结构的骨架内存在更多的气化核心密度,同时还可以有效改善气液流动,促进液体回流。

多孔介质孔隙率对池沸腾传热性能影响机理的模拟研究

采用介观相变格子Boltzmann(lattice Boltzmann, LB)方法,在孔隙尺度下研究了多孔介质的孔隙率对池沸腾换热过程的影响,重点分析了不同孔隙率时气泡的运动过程,并对气泡在多孔介质中的典型状态进行了力平衡分析,进而探究了多孔介质孔隙率影响沸腾传热的机理.结果表明,与无多孔介质的平板表面相比,多孔材料能够有效地降低初始成核的壁面过热度,增强流体的扰动,并且能够显著提升临界热流密度(critical heat flux, CHF)值.在所研究的工况中,孔隙率ε=73.2%时,CHF值提升最大,约为平板的3.6倍,其余孔隙率的多孔介质最小也可将其CHF值提升至平板的2.3倍.研究发现,当孔隙率从97.7%开始逐渐减小时,CHF值逐渐增大,同时沸腾换热曲线向左上方移动,这是因为减小孔隙率能够增大有效换热面积,减小气泡成核的壁面过热度,从而强化沸腾换热.当孔隙率减小到ε=73.2%时,若继续减小孔隙率,热流密度将突然下降,沸腾传热性能显著降低.通过对沸腾过程中气泡的受力进行分析后发现,当孔隙率较小时,过小的孔隙直径显著增大了气泡的逸出阻力,降低了气泡的上升速度,延长了气泡脱离多孔介质的时间,且此时气泡会在蒸发动量力、接触压力以及摩擦力等的共同作用下聚集在加热器上表面,形成气膜,从而恶化沸腾传热.

电场作用下锥翅表面强化池沸腾换热的介观数值方法

采用耦合电场模型的相变格子Boltzmann模型,数值研究了电场作用下锥翅结构表面的饱和池沸腾换热.为了定量分析电场对锥翅结构表面沸腾换热影响的机理,首先在无电场作用下对比调查了平滑表面和锥翅表面的沸腾换热现象.发现锥翅结构在核态沸腾阶段有更多的成核点,沸腾换热性能增强,临界热流密度(critical heat flux,CHF)提高.而在过渡沸腾阶段以及膜态沸腾阶段,由于锥翅结构增加了锥翅表面流体的流动阻力,阻碍了气液交换,换热性能低于平滑表面.基于以上发现,通过对锥翅表面池沸腾过程施加电场,进一步强化了锥翅表面沸腾换热.结果表明,在起始核态沸腾阶段,电场的存在稍微延后了气泡开始成核时间,气泡尺寸减小,沸腾轻微被抑制;充分核态沸腾阶段,由于电场力的作用以及电场与锥翅结构协同表现出的尖端效应,阻止了加热表面干斑的扩散和蔓延,促进沸腾换热;过渡沸腾以及膜态沸腾阶段,尖端效应更加明显,逐渐增大的电场强度使沸腾在更高过热度下处于核态沸腾状态,沸腾换热性能大幅度提高,且CHF逐渐提高.

基于Rohsenow关联式的池沸腾HTC预测修正模型

针对去离子水池沸腾传热系数(HTC)预测,当前理论研究主要是基于Rohsenow关联式,采用固定数值的方式对关联式中的经验参数进行优化。本文基于Rohsenow关联式,通过拟合法建立关联式中两个经验参数与过热度的联系,进而搭建了池沸腾HTC预测修正模型。与3组去离子水铜表面池沸腾实验结果对比,修正模型对HTC的预测平均误差为17.79%、5.35%、18.14%,优于Rohsenow关联式模型和Li关联式模型。研究工作可以为HTC的预测提供一定的理论帮助。

水在水平管束管外池沸腾传热的实验研究

通过对水在水平管束管外池沸腾的实验研究，探讨了沸腾换热系数随热流密度及沿管排高度变化的规律和内在机理．由实验结果发现：管束中各排测量管的沸腾换热系数明显高于单管池沸腾的情况；管束沸腾时存在管束效应，即随管排位置增高，起始沸腾点提前，沸腾曲线上移，沸腾换热系数增大；这种管束效应在部分核态沸腾时较强，而在充分发展核态沸腾时较弱；管束池沸腾的强化传热应归因于“滑移汽泡”及“诱发自然循环对流”机制．此外，还得出了管束池沸腾换热系数的经验关系式．

超亲/疏水性表面池沸腾传热研究

为研究超亲/疏水性表面对沸腾传热的影响,用H_2O2氧化的方式制备了超亲水表面,用氨水加高分子修饰的方式制备了超疏水表面。在常压下以蒸馏水为工质,采用高速摄影仪对其进行了池沸腾传热实验。结果表明,超疏水表面亲气疏水,在沸腾起始点易于产生气泡,且气泡不易脱离,此时壁面过热度ΔTs仅为2.4K,但随热流密度的增大,气泡易于聚合,所产生的大气泡阻碍了传热的进行,传热开始恶化,临界热流密度(CHF)较低;而H_2O2氧化的表面由于刀片状微纳结构的存在,增加了表面的粗糙度,不仅增大了相变传热表面积、增加了核化点数量,而且具有超亲水特性,气泡脱离频率较大,大大强化了沸腾传热,最大换热系数约是光表面的1.7倍,且相应地提高了CHF,可达131.0W/cm2,表现出较好的传热特性。

制冷剂/油在泡沫金属加热表面池沸腾换热特性

实验研究了制冷剂/润滑油混合物在泡沫金属加热表面核态池沸腾的换热特性,分析了润滑油浓度和泡沫金属结构对池沸腾换热特性的影响。实验使用3种结构参数的泡沫金属作为加热表面,其参数分别为10ppi/90%孔隙率、10ppi/95%孔隙率和30ppi/98%孔隙率,厚度均为5mm。实验使用的制冷剂为R113,润滑油为VG68,润滑油浓度为0～5%。实验结果表明:泡沫金属的存在极大提高了制冷剂/油混合物的池沸腾传热系数,最多提高1.6倍;润滑油的存在恶化制冷剂在泡沫金属加热表面池沸腾的换热特性,传热系数最多降低15%;相比平加热面,润滑油对泡沫金属加热表面池沸腾换热恶化的程度低。基于混合物性,开发了制冷剂/油混合物在泡沫金属加热表面池沸腾换热关联式,预测值与95%的实验数据偏差在±10%之内。

R-113池沸腾气泡行为的可视化及传热机理

利用 ITO透明加热膜和高速摄影仪, 对制冷工质R 113在压力为0 1 MPa的池沸腾的气泡行为进行了可视化研究. 利用高速摄影仪观察得到了不同热通量下气泡的生长、脱离以及相邻气泡之间的合并情况. 实验结果表明, 随着热通量的升高, 气泡的脱离时间减小, 而加热壁面的汽化核心密度增大. 文中给出了气泡的脱离时间、脱离直径以及汽化核心密度随热通量的变化曲线. 在实验过程中, 并没有观察到气泡底部的微液层在蒸干过程中有液体补充. 最后, 利用动态微液层模型对 R 113 的池沸腾换热曲线进行了预测, 并将预测结果和实验结果进行了对比, 结果显示, 预测结果与实验结果符合较好.

通孔金属泡沫表面的池沸腾实验研究

本文对烧结有厚度为30 mm的高孔隙率通孔铜泡沫的水平表面的池沸腾进行实验研究.并采用高速摄像仪对泡沫表面的汽泡生长形貌进行了可视化研究,研究了壁面过热度对热流密度、汽泡脱离直径、汽泡生长周期的影响关系。结果表明由于本文所研究的通孔泡沫厚度较大,限制了汽泡的脱离,使传热性能低于光表面,但是使沸腾起始点降低至3℃。

短脉冲激光作用下丙酮液池沸腾现象的瞬态观测

本文对短脉冲激光作用下试件表面的温度变化和丙酮液体汽泡行为进行了瞬态观测，研 究了激光参数和细小金属颗粒等因素对丙酮液体沸腾行为的影响。结果表明：激光参数中，脉宽是 影响温度曲线和汽泡行为的主要因素，随着激光脉宽增大，大汽泡的长大时间和脱离直径减小；汽 泡长大速度与常规沸腾时的完全不同，没有出现等温生长阶段，在激光脉冲后很长时间内汽泡长大 速度快速增大；试件表面覆盖细小金属颗粒后，沸腾过程变得非常剧烈。

微重力池沸腾现象中的汽泡行为特性

本文对准稳态加热条件下的微重力核态池沸腾中的汽泡行为特征进行了实验研究,分析了初始核化过程、汽泡数密度、汽泡尺寸及其运动速度等的变化趋势,探讨了过冷度及加热历史等因素对相关特性的影响.实验发现。微重力条件下汽泡生成后沿加热面不停地移动;原生汽泡会聚合形成大汽泡,大汽泡不断捕掠小汽泡而长大,直到大汽泡覆盖整个加热面;汽泡生长速度随过冷度增加而变慢.

铝基Al_2O_3纳米多孔表面大容积池沸腾实验

目前微电子器件不断地向高密度、微型化、功能化方向发展,散热问题是制约技术进一步发展的瓶颈。本文拟利用纳米多孔表面优良的相变传热特性,解决电子器件微型化散热难的问题。文中以铝基Al2O3纳米多孔薄膜为传热表面,以去离子水为工质,常压下对其大容积池沸腾下的传热性能进行了实验研究。实验结果表明：与光滑表面相比,Al2O3纳米多孔表面在核态沸腾时汽化核心密集,产生汽泡体积小、数量多并能提高铝基传热表面的传热系数2~5倍,且能够在长时间内维持其较高的传热系数;以纳米多孔表面作为传热表面,可以有效降低微电子原件表面温度3~5℃,在核态沸腾阶段能够降低30℃以上,很好地起到了降低电子元件表面温度的作用。实验结果对微电子冷却有重要的参考作用。

基于碳纳米管的含油纳米制冷剂核态池沸腾换热特性

通过实验研究了基于碳纳米管（CNTs）的含油纳米制冷剂（即由制冷剂R113、润滑油VG68和碳纳米管组成的纳米流体）的核态池沸腾换热特性,分析了碳纳米管对含油制冷剂核态池沸腾换热的影响。实验中采用了外径为15~80nm、长度为1.5~10μm的四种碳纳米管。实验的饱和压力为101.3 kPa;热流密度为10~80 kW/m2;纳米油（碳纳米管和润滑油的混合物）的质量分数为0~5%;在纳米油中碳纳米管的质量分数为0~30%。实验结果表明：碳纳米管增强了含油制冷剂的池沸腾换热,在测试工况下换热系数最大可增加61%。当纳米油中碳纳米管浓度为20%不变,纳米油浓度由1%提高到5%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%降低至23%~55%;当纳米油的浓度为1%不变,纳米油中碳纳米管浓度由20%提高到30%时,不同尺寸的碳纳米管对换热系数的增加幅度由27%~59%升高到33%~61%。通过实验获得了基于碳纳米管的含油纳米制冷剂池沸腾换热关联式,关联式的预测值与96%的实验数据偏差在±10%以内。

核态池沸腾换热的数值模拟

以沸腾壁为研究对象 ,以气泡或核心为边界建立了沸腾换热的数学模型 ,进行了核态池沸腾换热的直接数值模拟 ,模拟结果与现有的实验数据具有很好的一致性 ,从而验证了数值模拟的可靠性 .通过数值模拟得到了气泡影响面积系数和气泡扰动强度系数的计算方法 ,揭示了气泡等待时间和沸腾表面温度波动的非线性特征 .

电场强化乙醚自然对流和池沸腾换热

The electric field enhancement of natural convection and pool boiling heat transfer on a plate surface immersed in ether was investigated.The experimental data indicated that electric field could enhance natural convection and pool boiling heat transfer.The enhancement effect of electric field on natural convection heat transfer was larger than the effect on pool boiling heat transfer.For natural convection heat transfer on plate surface immersed in ether,the enhancement effect of electric field gradually increased as voltage rose and decreased with increasing heat flux.For pool boiling heat transfer on plate surface immersed in ether, the enhancement effect of electric field gradually increased as voltage rose at heat flux q=5—9 kW·m-2.At the other testing heat flux(q≥10 kW·m-2), the increase of pool boiling heat transfer coefficient by applying electric field was much less.In the experimental condition, the enhancement effect of electric field on pool boiling heat transfer decreased with increasing heat flux.

R123水平强化单管外池沸腾换热实验研究

对替代工质R123在光管、机加工多孔表面强化管水平单管外池沸腾换热进行了实验研究.在沸腾温度分别为5℃、8℃和10℃时,光管外沸腾换热系数的实验数值较Cooper公式的预测值最大偏低10%;同时得到了强化管外沸腾换热系数随热流密度、沸腾压力的变化规律以及强化管的强化效果,强化管的强化倍率在4.56～4.18之间.对R11也进行了同样实验,并把二者沸腾换热特性进行比较,强化管外R123比R11沸腾换热系数要低8%左右.