親疏水性對(duì)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(jī)理及其強(qiáng)化技術(shù)的研究已經(jīng)成為目前國(guó)際傳熱界關(guān)注的熱點(diǎn)。汽-液-固三相接觸線區(qū)域的表面潤(rùn)濕特性(即親疏水性)是強(qiáng)化微細(xì)尺度傳熱的關(guān)鍵。然而，采用實(shí)驗(yàn)方法研究親疏水性對(duì)沸騰傳熱的影響時(shí)難以避免粗糙度等的干擾，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論受到質(zhì)疑?，F(xiàn)存的宏觀數(shù)值模型則存在不能研究沸騰汽泡成核過(guò)程等缺陷。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一個(gè)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(duì)池沸騰傳熱的影響。具體的研究?jī)?nèi)容包括：

2、
　　1.改進(jìn)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(gè)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(gè)改進(jìn)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(duì)松弛時(shí)間的非物理依賴。為了驗(yàn)證模型的可用性，采用該模型研究了液滴在具有潤(rùn)濕梯度的表面上的運(yùn)動(dòng)、合并以及分裂行為，探討了液滴在潤(rùn)濕梯度驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(xiàng)表達(dá)式，構(gòu)建了一個(gè)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(guò)由真實(shí)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(shí)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(jì)算沸騰問(wèn)題時(shí)不需要初始化存在小汽泡，可以模擬包含成核過(guò)程

4、在內(nèi)的整個(gè)汽液相變過(guò)程。應(yīng)用該模型，研究了微加熱器(點(diǎn)熱源)上的池沸騰傳熱過(guò)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(guò)數(shù)值模擬得到了成核時(shí)間、成核溫度等沸騰成核過(guò)程中的重要信息，并研究了親疏水性對(duì)微加熱器上池沸騰過(guò)程的汽泡成核時(shí)間、成核溫度等的影響。
　　3.純親水/疏水表面上潤(rùn)濕性對(duì)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(guò)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(guò)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(gè)汽泡脫離加熱面而疏水表面上汽泡脫離時(shí)會(huì)留下一個(gè)小汽泡作為下一個(gè)汽泡周期的成核點(diǎn)。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(jī)理：親水表面上整個(gè)汽泡下方存在一個(gè)微液層，微液層的蒸發(fā)(microlayer evaporation)是重要的傳熱機(jī)理；疏水表面上汽泡下方不存在微液層(隨著壁面潤(rùn)濕性的減弱，也就是隨著接觸角的增加，微液層會(huì)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(jī)理。采用提出的格子Bol

7、tzmann方法汽液相變模型，首次通過(guò)數(shù)值模擬得到了親疏水加熱面上從自然對(duì)流區(qū)經(jīng)核態(tài)沸騰區(qū)、過(guò)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(diǎn)(ONB)、臨界熱流密度點(diǎn)(CHF)和Leidenfrost點(diǎn)。
　　4.親疏水混合表面對(duì)池沸騰傳熱的強(qiáng)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(dú)研究親疏水性的作用，揭示親

8、疏水混合表面對(duì)池沸騰傳熱的強(qiáng)化機(jī)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(diǎn)，可以有效促進(jìn)汽泡成核并提高沸騰傳熱量。親水區(qū)則可以限制疏水點(diǎn)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(gè)使得沸騰傳熱量最高的最優(yōu)疏水點(diǎn)間距，這一間距和成核點(diǎn)之間的相互作用有關(guān)。進(jìn)一步增加疏水點(diǎn)間距將減小汽泡