親疏水性對池沸騰傳熱影響的格子Boltzmann方法研究.pdf

1、微尺度沸騰傳熱機理及其強化技術(shù)的研究已經(jīng)成為目前國際傳熱界關(guān)注的熱點。汽-液-固三相接觸線區(qū)域的表面潤濕特性(即親疏水性)是強化微細尺度傳熱的關(guān)鍵。然而，采用實驗方法研究親疏水性對沸騰傳熱的影響時難以避免粗糙度等的干擾，使得實驗結(jié)論受到質(zhì)疑。現(xiàn)存的宏觀數(shù)值模型則存在不能研究沸騰汽泡成核過程等缺陷。針對這些問題，本文提出一個基于介觀格子Boltzmann方法的汽液相變數(shù)值模型并采用該模型研究親疏水性對池沸騰傳熱的影響。具體的研究內(nèi)容包括：

2、
　　1.改進的格子Boltzmann方法兩相流模型研究。在Shan-Chen模型的基礎(chǔ)上，提出一個新的粒子間作用力形式并結(jié)合精確差分法引入作用力，構(gòu)建了一個改進的格子Boltzmann方法兩相流模型。這一模型可以顯著改善數(shù)值精度和數(shù)值穩(wěn)定性，而且能避免數(shù)值結(jié)果對松弛時間的非物理依賴。為了驗證模型的可用性，采用該模型研究了液滴在具有潤濕梯度的表面上的運動、合并以及分裂行為，探討了液滴在潤濕梯度驅(qū)動下的運動機理。
　　2.基于

3、格子Boltzmann方法的汽液相變模型研究。在本文提出的改進的格子Boltzmann方法兩相流模型基礎(chǔ)上，引入能量方程模型，推導(dǎo)了能量方程源項表達式，構(gòu)建了一個基于格子Boltzmann方法的汽液相變數(shù)值模型。該汽液相變模型不需要精確追蹤界面，汽液相變通過由真實氣體狀態(tài)方程所決定的熱力學(xué)關(guān)系(即壓力、溫度和密度的關(guān)系)實現(xiàn)。作為一種真正意義上的汽液相變直接數(shù)值模擬方法，該模型在計算沸騰問題時不需要初始化存在小汽泡，可以模擬包含成核過程

4、在內(nèi)的整個汽液相變過程。應(yīng)用該模型，研究了微加熱器(點熱源)上的池沸騰傳熱過程。數(shù)值結(jié)果表明微加熱器可能呈現(xiàn)出與宏觀加熱面不同的池沸騰特性。首次通過數(shù)值模擬得到了成核時間、成核溫度等沸騰成核過程中的重要信息，并研究了親疏水性對微加熱器上池沸騰過程的汽泡成核時間、成核溫度等的影響。
　　3.純親水/疏水表面上潤濕性對池沸騰傳熱的影響研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型研究了光滑的純親水/疏水表面上的池沸騰傳熱。模擬

5、中采用有限厚度的加熱面，即考慮了加熱面中的導(dǎo)熱過程。數(shù)值結(jié)果表明，飽和池沸騰中汽泡脫離直徑隨接觸角和過熱度的增加而增加。親疏水加熱面存在明顯不同的汽泡脫離形態(tài)：在親水表面上整個汽泡脫離加熱面而疏水表面上汽泡脫離時會留下一個小汽泡作為下一個汽泡周期的成核點。因而，親水表面上的汽泡周期中存在等待階段(waiting period)而疏水表面上的汽泡周期中則不存在等待階段。疏水表面上的這一汽泡脫離形態(tài)有利于提升沸騰傳熱量。數(shù)值結(jié)果還表明親疏水

6、表面存在不同的沸騰傳熱機理：親水表面上整個汽泡下方存在一個微液層，微液層的蒸發(fā)(microlayer evaporation)是重要的傳熱機理；疏水表面上汽泡下方不存在微液層(隨著壁面潤濕性的減弱，也就是隨著接觸角的增加，微液層會逐漸消失)，三相線區(qū)域具有最低的局部溫度和最高的局部熱流密度，汽-液-固三相接觸線區(qū)域的傳熱(three-phase contact line heat transfer)是重要的傳熱機理。采用提出的格子Bol

7、tzmann方法汽液相變模型，首次通過數(shù)值模擬得到了親疏水加熱面上從自然對流區(qū)經(jīng)核態(tài)沸騰區(qū)、過渡沸騰區(qū)直至膜態(tài)沸騰區(qū)的沸騰傳熱曲線，捕捉到了沸騰曲線上的核態(tài)沸騰起始點(ONB)、臨界熱流密度點(CHF)和Leidenfrost點。
　　4.親疏水混合表面對池沸騰傳熱的強化研究。采用提出的格子Boltzmann方法汽液相變模型研究了光滑的親疏水混合表面上的池沸騰傳熱。采用數(shù)值模擬，可以排除粗糙度的干擾而單獨研究親疏水性的作用，揭示親

8、疏水混合表面對池沸騰傳熱的強化機理。模擬結(jié)果表明，親疏水混合表面上的疏水區(qū)作為汽泡成核點，可以有效促進汽泡成核并提高沸騰傳熱量。親水區(qū)則可以限制疏水點上汽泡基圓直徑(或三相接觸線)在加熱面上的鋪展，從而有望提高臨界熱流密度。在親疏水混合表面上，存在汽泡成核的疏水區(qū)域的局部熱流密度高于不存在汽泡成核的親水區(qū)域的局部熱流密度。另外，存在一個使得沸騰傳熱量最高的最優(yōu)疏水點間距，這一間距和成核點之間的相互作用有關(guān)。進一步增加疏水點間距將減小汽泡