柴永志，張偉, 2，李亞，趙亞東

?

非均勻潤濕性微通道表面池沸騰換熱特性

柴永志1，張偉1, 2，李亞1，趙亞東1

（1華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

采用高溫?zé)嵫趸c表面改性技術(shù)并結(jié)合電火花線切割工藝在紫銅表面制備了3類非均勻潤濕性微通道表面，微通道頂部接觸角分別為8.6°、88.1°、156.1°，通道內(nèi)部接觸角為113.2°。經(jīng)飽和池沸騰試驗(yàn)表明，具有超親水性頂部（=8.6°）和超疏水頂部（=156.1°）的微通道表面臨界熱通量分別較紫銅表面（=88.1°）提高了61%和35%，最大傳熱系數(shù)分別提高了2.3倍和6倍。氣泡動(dòng)力學(xué)可視化研究表明：非均勻潤濕結(jié)構(gòu)能夠顯著抑制氣泡的合并與團(tuán)聚，使得氣泡之間存在的間隙成為液體補(bǔ)充路徑，這是臨界熱通量提高的主要機(jī)理。

非均勻潤濕性；微通道；傳熱；氣泡；臨界熱通量

引 言

在高熱通量下電子芯片的冷卻性能偏低已成為制約高端電子設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要瓶頸之一[1-2]，對基于相變的新型強(qiáng)化傳熱表面研究開發(fā)已成為解決高熱通量下電子芯片散熱的有效途徑。近年來，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了較多強(qiáng)化沸騰換熱的新技術(shù)，其中，通過改變表面性質(zhì)如粗糙度、潤濕性等方式來強(qiáng)化沸騰換熱已成為主要研究熱點(diǎn)之一。如采用燒結(jié)[3-4]、噴涂[5-7]、沉積[8-10]、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）工藝[11-18]等途徑在換熱表面上制備微結(jié)構(gòu)用以增強(qiáng)換熱性能，池沸騰試驗(yàn)表明這種表面微結(jié)構(gòu)可顯著提升表面散熱能力[3-15]。Kandlikar[13]采用MEMS方法在Si表面制備了微通道結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明微通道的傳熱系數(shù)較光滑表面普遍增強(qiáng)。Jaikumar等分別在銅基微通道的頂部、內(nèi)部及全表面燒結(jié)了Cu顆粒，制備了多尺度換熱表面，并發(fā)現(xiàn)這種全表面燒結(jié)的微通道換熱性能最強(qiáng)，臨界熱通量（CHF）與沸騰傳熱系數(shù)（HTC）分別較光滑Cu表面提高1.5倍與7.8倍[19]；對微通道尺寸進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)窄通道（300 μm）內(nèi)部燒結(jié)微通道換熱表面，HTC最高達(dá)到了2.9 MW·m-2·K-1，較平表面提高了43倍之多[20]。Ji等[21]采用燒結(jié)方法在銅表面分別制備了二維與三維的“V”形多尺度微孔隙結(jié)構(gòu)，其中三維“V”形孔隙結(jié)構(gòu)的換熱性能最佳，其CHF與HTC分別較紫銅平表面增加3.7倍與2.2倍。Tang等[22]采用燒結(jié)工藝在銅通道內(nèi)分別燒結(jié)了規(guī)則、不規(guī)則的Cu粉顆粒，沸騰試驗(yàn)表明這種傳熱結(jié)構(gòu)的HTC較紫銅表面增加80%。

表面潤濕性同樣對沸騰性能有著重要的影響，尤其是近年來提出的利用非均勻潤濕性強(qiáng)化沸騰換熱的方法越來越受到研究人員的重視。Betz等[23-24]通過光刻技術(shù)在Si表面制備非均勻潤濕性表面，其CHF與HTC分別較平表面增加了65%與100%。Hsu等[25]采用氣相沉積工藝在銅表面制備了4類不同潤濕性差異的非均勻潤濕性表面，池沸騰試驗(yàn)表明CHF均有不同程度的提高。Jo等[26-28]采用MEMS技術(shù)在Si表面制備了非均勻潤濕性表面，池沸騰表明這種表面能夠增加氣泡脫離頻率，增加受熱表面的液體補(bǔ)充速率，增大CHF。

實(shí)際上，上述影響沸騰換熱的兩個(gè)因素，即潤濕性與表面微結(jié)構(gòu)往往相互耦合。根據(jù)Wenzel公式[29]：cosθ=rcose，其中為粗糙因子（固-液接觸的實(shí)際面積與垂直投影面積的比值），θ為表面的表觀接觸角，e為材料表面的本征接觸角。由于粗糙因子的存在，會(huì)使原本親水性（e<90°）的表面變得更加親水，而使原本疏水性（e>90°）的表面更加疏水。即表面微結(jié)構(gòu)的改變會(huì)不可避免地引起表面的潤濕性。本研究制備了一種非均勻潤濕性和表面微結(jié)構(gòu)相互耦合的傳熱表面。采用高溫?zé)嵫趸胺柰樾揎椃椒?，先在紫銅表面分別制備了具有納米尺寸的超親水與超疏水表面，然后再采用電火花工藝（EDM）在所制備的表面上切割微通道結(jié)構(gòu)，通道內(nèi)部均為疏水性，這樣就得到了非均勻潤濕性微通道結(jié)構(gòu)。通過池沸騰試驗(yàn)對比了非均勻潤濕性微通道表面與紫銅光表面的換熱特性，結(jié)果表明，非均勻潤濕性微通道表面能夠改善加熱壁面的液體補(bǔ)充，并有利于氣泡脫離，從而顯著提高CHF與HTC。

1 試驗(yàn)件與試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 表面制備工藝

采用光學(xué)接觸角測量儀（Dataphysics OCA15plus）分別測量體積為3.5 μl的去離子水液滴在所制備表面的接觸角，并使用掃描電子顯微鏡（HITACHI，SU-8010）觀察記錄表面形貌。試驗(yàn)工件采用紫銅，先用砂紙打磨紫銅表面，得到接觸角為88°、表面形貌為圖1(a)所示的親水性光滑紫銅表面（bare surface, BS）。紫銅表面的潤濕性處理分為超親水性制備與超疏水性修飾兩部分。

（1）超親水性表面制備：先用丙酮及無水乙醇清洗BS，并用氮?dú)獯蹈?。之后放?00℃燒結(jié)爐工作12 h（包括2 h的升溫過程，4 h的恒溫過程，6 h的退火過程），得到接觸角為8.6°、表面形貌為圖1(b)所示的超親水性表面(superhydrophilic surface)。

（2）超疏水性表面修飾：將上述制備好的親水性表面，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氟硅烷/乙醇溶液中。在水浴40℃條件下浸泡1 h，最后在100℃的干燥箱內(nèi)烘干1 h，即得到了接觸角為156.1°，表面形貌為圖1(c)所示的超疏水表面（superhydrophobic surface）。

為了得到非均勻潤濕性微通道結(jié)構(gòu)，采用電火花切割方法在超親水性表面、親水性光滑紫銅表面、超疏水性表面上切割微通道。通道內(nèi)部為大孔隙疏水性表面（hydrophobic surface），接觸角為113.2°，孔隙直徑在8～12 mm之間，表面形貌如圖1(d)所示。

由此得到了3種不同類型的非均勻潤濕性微通道換熱表面，如圖2所示。頂部為超親水性的微通道換熱表面記為TS#1，頂部為親水性紫銅平表面的微通道換熱表面記為TS#2，頂部為超疏水性的微通道換熱表面記為TS#3。為了便于對比，將光滑紫銅平表面（BS）在換熱過程中的結(jié)果作為基準(zhǔn)值。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3(a)為本次大空間飽和池沸騰換熱試驗(yàn)臺，主要部件包括：試驗(yàn)工件、沸騰池、加熱裝置、冷凝器與數(shù)據(jù)采集裝置。試驗(yàn)工件采用紫銅，換熱表面尺寸15 mm×15 mm，如圖3(b)所示。沸騰池尺寸為200 mm×200 mm×400 mm。試驗(yàn)工件內(nèi)部溫度以及工質(zhì)溫度由K型熱電偶與Ni數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量并記錄，試驗(yàn)件內(nèi)部熱電偶所得溫度1、2、3分布如圖3(c)所示。溫度梯度、熱通量與傳熱系數(shù)由LabVIEW虛擬軟件計(jì)算。換熱表面的氣泡生長及脫離過程由高速相機(jī)拍攝記錄。

本次范圍內(nèi)，試驗(yàn)用紫銅具有常物性，紫銅熱導(dǎo)率(Cu)取值390 W·m-1·℃-1，數(shù)據(jù)采集時(shí)熱電偶溫度及熱通量恒定，熱通量采用傅里葉導(dǎo)熱定律計(jì)算

溫度梯度d/d使用泰勒一階導(dǎo)數(shù)[19-20]

(2)

微通道表面的溫度w由式(1)得到

沸騰過程中，傳熱系數(shù)HTC通過牛頓冷卻定律計(jì)算

(4)

式中，sat為去離子水在大氣壓下的飽和溫度。

1.3 誤差分析

本次試驗(yàn)采用的K型熱電偶，在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，其測量精度為±0.2℃。圖4(a)為表面BS內(nèi)的熱電偶1、2、3在熱通量分別為60.4、466.2、892.9 kW·m-2時(shí)的溫度分布。采用均方差R2來判斷溫度1、2、3是否為線性分布，確保在試驗(yàn)過程中熱量沿著一維方向傳遞。根據(jù)誤差傳遞原理，結(jié)合式(1)、式(2)，熱通量的誤差可以由式(5)表示

由圖4(b)可知：熱通量的誤差隨著熱通量的增大而快速減小，在臨界熱通量條件下，熱通量的誤差為4%。

圖3 池沸騰試驗(yàn)臺示意圖

Fig.3 Schematic of pool boiling experimental setup (unit: mm)

2 沸騰曲線與換熱特性

試驗(yàn)過程中先打開輔助加熱器，將去離子水加熱到大氣壓下的飽和溫度，煮沸1 h充分去除去離子水中的不凝性氣體。再打開主加熱器，主加熱器每次以2 W的增幅調(diào)節(jié)。當(dāng)熱電偶測得溫度1、2、3在15 min內(nèi)波動(dòng)均不超過0.2℃，即可記錄熱電偶溫度值。

圖5(a)表示了這4類換熱表面的熱通量隨著壁面過熱度的變化曲線。BS在壁面過熱度為8.9℃（ONB）時(shí)由對流沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)楹藨B(tài)沸騰，在壁面過熱度為20℃時(shí)達(dá)到臨界熱通量，CHF為1016 kW·m-2，最大傳熱系數(shù)為50.82 kW·m-2·℃-1。TS#1、TS#2與TS#3的CHF分別為1626.8、1556.3與1380.2 kW·m-2，分別較BS增加61%、53%與35%。表1給出了4類換熱結(jié)構(gòu)的沸騰起始點(diǎn)（ONB）與換熱特性值，由表中數(shù)據(jù)可知隨著微通道頂部潤濕性由超親水性變?yōu)橛H水性，最后到超疏水性，CHF逐漸降低。Jo等[28]認(rèn)為非均勻換熱表面的CHF取決于親水性表面與疏水性表面之間的面積比，而與相對間距或者尺寸沒有關(guān)系。本試驗(yàn)TS#1的超親水表面的換熱面積占總換熱面積的29%，而在TS#3換熱表面中則沒有親水性換熱表面。由此可知，親水性表面所占比重越大，其CHF值越高，這與Jo等[28]的試驗(yàn)結(jié)果相符合。從表1看出，這4類表面達(dá)到臨界熱流條件時(shí)TS#3的壁面過熱度最?。?.9℃），TS#3在實(shí)現(xiàn)了提高傳熱系數(shù)的同時(shí)，使得臨界熱流對應(yīng)的過熱度降低，這對于高熱通量電子芯片的冷卻具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

從表1、圖5看出，TS#1、TS#2與TS#3的最大傳熱系數(shù)分別為168.3、292.6與353.8 kW·m-2·℃?1，較BS的最大傳熱系數(shù)分別增加了232%、484%與606%。隨著TS#1、TS#2與TS#3微通道肋頂?shù)谋砻鏉櫇裥杂沙H水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷?，氣泡脫離速率（）逐步增加，傳熱系數(shù)增加值逐漸提高。

表1 換熱表面試驗(yàn)數(shù)據(jù)

考慮到非均勻潤濕性對沸騰換熱的影響，Betz等[24]對Rohsenow等[30]的公式進(jìn)行修得到

傳熱系數(shù)HTC是活化穴密度'a、氣泡脫離直徑d與氣泡脫離頻率的函數(shù)，非均勻潤濕性表面的傳熱系數(shù)分別由親水性區(qū)域與疏水性區(qū)域綜合而成[24]。對于TS#1，表面的活化穴大部分來自于微通道內(nèi)部的疏水性表面，其傳熱系數(shù)較其他兩種非均勻潤濕換熱表面差。而對于TS#3，超疏水性微通道頂部與疏水性通道內(nèi)部同時(shí)提供了大量的活化穴，有助于氣泡的產(chǎn)生。表現(xiàn)為TS#3的沸騰起始點(diǎn)在本試驗(yàn)表面中最低（ONB=0.9℃），同時(shí)傳熱系數(shù)最高（HTC=353.8 kW·m-2·℃-1）。本試驗(yàn)換熱表面微通道底部為電火花加工，孔隙直徑均在10 μm左右，如圖1(d)所示；而微通道頂部為納米級顆粒結(jié)構(gòu)表面，納米顆粒的尺寸均在100～150 nm范圍內(nèi)，如圖1(c)所示。根據(jù)Ji等[21]的研究：具有大直徑孔隙的表面會(huì)促進(jìn)氣泡脫離，而具有小孔隙的表面由于其較大的毛細(xì)力，有助于液體補(bǔ)充。本研究中的微通道換熱表面同時(shí)具有大尺寸孔隙與小尺寸納米結(jié)構(gòu)，這能顯著提高氣泡脫離頻率，增強(qiáng)液滴補(bǔ)充能力。為了更好地解釋非均勻潤濕性表面的換熱性能，還需要對氣泡的氣泡動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。

圖6 TS#1氣泡動(dòng)力學(xué)可視化

Fig.6 Visualization of bubble dynamics on TS#1

3 氣泡動(dòng)力學(xué)

采用高速攝像機(jī)記錄換熱表面上氣泡動(dòng)力學(xué)特性。對于表面TS#1，當(dāng)<600 kW·m-2時(shí)，換熱表面為少量的孤立氣泡，這一階段TS#1的HTC最低，如圖6(a)～(c)所示。隨著熱通量的提高，氣泡數(shù)量逐漸增多。當(dāng)>600 kW·m-2時(shí)，氣泡開始聚合，如圖6(d)～(i)所示。這一階段的氣泡呈分裂狀，汽泡間存在溝壑與凹穴狀空洞。非均勻潤濕性表面抑制氣泡合并，圖6中分裂狀氣泡之間的溝壑與凹穴狀空洞是液體補(bǔ)充換熱表面蒸干區(qū)的路徑，這一路徑有效地提高了CHF。

對于表面TS#3，由于通道頂部為超疏水性，而通道內(nèi)部為疏水性，所以活化穴數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他換熱表面，在整個(gè)試驗(yàn)過程中HTC遠(yuǎn)大于其他表面。當(dāng)>200 kW·m-2時(shí)，氣泡開始合并、脫離，集聚呈汽泡堆，如圖7(d)～(f)所示。當(dāng)>600 kW·m-2，氣泡堆逐漸消失，出現(xiàn)凹穴狀液體補(bǔ)充通道，如圖7(f)～(i)所示。較強(qiáng)的氣泡脫離頻率和液體補(bǔ)充路徑，保證了TS#3表面的傳熱系數(shù)持續(xù)增大。

4 結(jié) 論

采用高溫?zé)嵫趸ㄔ谧香~表面制備Cu納米顆粒堆疊超親水結(jié)構(gòu)，采用氟硅烷進(jìn)行潤濕性處理后得到超疏水表面。分別在超親水結(jié)構(gòu)表面和超疏水結(jié)構(gòu)表面采用電火花切割微通道，得到了具有非均勻潤濕性的多尺度微通道換熱表面，通道頂部為Cu納米堆結(jié)構(gòu)，通道底部和側(cè)壁為電火花燒蝕的微米級多孔結(jié)構(gòu)。對表面形貌和接觸角進(jìn)行定量表征，通過試驗(yàn)對比研究了各表面的換熱性能與氣泡動(dòng)力學(xué)特性，主要結(jié)論如下。

（1）具有超親水性頂部和超疏水頂部的微通道表面臨界熱通量較紫銅光表面分別提高了61%和35%，最大傳熱系數(shù)分別提高了2.3倍和6倍。

（2）多尺度微通道換熱表面同時(shí)具備微米級孔隙與納米級Cu顆粒，在提高液體補(bǔ)充能力的同時(shí)，提高了氣泡脫離頻率，是傳熱系數(shù)提高的主要機(jī)理。

（3）表面的非均勻潤濕特性顯著抑制了氣泡的團(tuán)聚與合并，氣泡間的間隙提供了液體到加熱面的補(bǔ)充路徑，抑制了壁面蒸干，是臨界熱通量增大的主要機(jī)理。

符 號 說 明

CHF——臨界熱通量，kW·m?2 cp——液體比熱容，J·kg?1·℃?1 dd——?dú)馀菝撾x直徑，mm f——?dú)馀菝撾x頻率，s?1 HTC——傳熱系數(shù)，kW·m?2·℃?1 n'a——活化穴密度 ONB——沸騰起始點(diǎn)，℃ r——粗糙因子 Tw, Tsat——分別為換熱表面溫度與大氣壓下去離子水的飽和溫度，℃ T1, T2, T3——熱電偶溫度，℃ q——熱通量，kW·m?2 Δx——熱電偶間間距，mm x1——換熱表面與第1根熱電偶間距離，mm θe——本征接觸角，(°) θ*——表觀接觸角，(°) λ(Cu)——紫銅熱導(dǎo)率，W·m?1·℃?1 λl——去離子水的熱導(dǎo)率，W·m?1·℃?1 ρl——液體密度，kg·m?3

References

[1] 孫志堅(jiān), 何國安, 王立新, 等. 兩種電子器件用重力型熱管散熱器的換熱特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2006, 57(10): 2283-2288. SUN Z J, HE G A, WANG L X,. Heat transfer characteristics of two different thermosyphon radiators for electronic device[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2006, 57(10): 2283-2288.

[2] 張平, 宣益民, 李強(qiáng). 界面接觸熱阻的研究進(jìn)展[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(2): 335-349. ZHANG P, XUAN Y M, LI Q. Development on thermal contact resistance[J]. CIESC Journal, 2012, 63(2): 335-349.

[3] 郭兆陽, 徐鵬, 王元華, 等. 燒結(jié)性多孔表面管外池沸騰傳熱特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2012, 63(12): 3798-3804. GUO Z Y, XU P, WANG Y H,Pool boiling heat transfer on sintered porous coating tubes[J]. CIESC Journal, 2012, 63(12): 3798-3804.

[4] 程云, 李菊香, 莫光東. 水在開孔泡沫銅中的池沸騰傳熱特性[J]. 化工學(xué)報(bào), 2013, 64(4): 3798-3804. CHEN Y, LI J X, MO G D. Pool boiling heat transfer of water in porous copper foam[J]. CIESC Journal, 2013, 64(4): 3798-3804.

[5] PHAN H T, CANEY N, MARTY P,Surface wettability control by nanocoating: the effects on pool boiling heat transfer and nucleation mechanism[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009, 52(23/24): 5459-5471.

[6] BERTOSSIA R, CANEYBC N, GRUSSBD A J,. Pool boiling enhancement using switchable polymers coating[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 77: 121-126.

[7] BOURDON B, DI MARCO P, RIOBOO R,. Enhancing the onset of pool boiling by wettability modification on nanometrically smooth surfaces[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2013, 45: 11-15.

[8] HSU C C, CHIU W C, KUO L S,Reversed boiling curve phenomenon on surfaces with interlaced wettability[J]. AIP Advances, 2014, 4(10): 107110.

[9] FORREST E, WILLIAMSON E, BUONGIORNO J,. Augmentation of nucleate boiling heat transfer and critical heat flux using nanoparticle thin-film coatings[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(1/2/3): 58-67.

[10] KIM J M, KANG S H, YU D I,. Smart surface in flow boiling: spontaneous change of wettability[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 105: 147-156.

[11] DONG L N, QUAN X J, CHENG P. An experimental investigation of enhanced pool boiling heat transfer from surfaces with micro/nano structures[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 71: 189-196.

[12] HANLEY H, COYLE C, BUONGIORNO J,. Separate effects of surface roughness, wettability, and porosity on the boiling critical heat flux[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(2): 024102.

[13] KANDLIKAR S G. Pool boiling heat transfer and bubble dynamics over plain and enhanced microchannel[J]. Journal of Heat Transfer, 2011, 133(5): 052902.

[14] CHEN Y K, MELVIN L S, RODRIGUEZ S,. Capillary driven flow in micro scale surface structures[J]. Microelectronic Engineering, 2009, 86(4/5/6): 1317-1320.

[15] CHU K H, ENRIGHT R, WANG E N. Structured surfaces for enhanced pool boiling heat transfer[J]. Applied Physics Letters, 2012, 100(24): 241603.

[16] JO H J, PARK H S, KIM M H. Single bubble dynamics on hydrophobic-hydrophilic mixed surfaces[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 93: 554-565.

[17] JO H J, AHN H S, KANG S HA study of nucleate boiling heat transfer on hydrophilic, hydrophobic and hetergeneous wetting surface[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, 54(25/26): 5643-5652.

[18] KIM B S, CHOI G, SHIM D I,Surface roughening for hemi-wicking and its impact on convective boiling heat transfer[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 102: 1100-1107.

[19] JAIKUMAR A, KANDLIKAR S G. Enhanced pool boiling heat transfer mechanisms for selectively sintered open microchannels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 88: 652-661.

[20] JAIKUMAR A, KANDLIKAR S G. Ultra-high pool boiling performance and effect of channel width with selectively coated open microchannels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 95: 795-805.

[21] JI X B, XU J L, ZHAO Z W,. Pool boiling heat transfer on uniform and non-uniform porous coating surfaces[J]. Experiment Thermal and Fluid Science, 2013, 48: 198-212.

[22] TANG Y, ZENG J, ZHANG S W,. Effect of structural parameters on pool boiling heat transfer for porous interconnected microchannel nets[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 93: 906-917.

[23] BETZ A R, XU J, QIU H,. Do surfaces with mixed hydrophilic and hydrophobic areas enhance pool boiling?[J]. Applied Physics Letters, 2010, 97(14): 141909.

[24] BETZ A R, JENKINS J, KIM C J,. Boiling heat transfer on superhydrophilic, superhydrophobic, and superbiphilic surfaces[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 57(2): 733-741.

[25] HSU C C, CHEN P H. Surface wettability effects on critical heat flux of boiling heat transfer using nanoparticle coatings[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55(13-14): 3713-3719.

[26] JO H J, KIM S H, KIM H,Nucleate boiling performance on nano/microstructures with different wetting surfaces[J].Nanoscale Research Letters, 2012, 7(1): 242.

[27] JO H J, YU D I, HOH H,Boiling on spatially controlled heterogeneous surfaces: wettability patterns on microstructures[J]. Applied Physics Letters, 2015, 106(18): 1-5.

[28] JO H J, KIM S H, PARK H S,. Critical heat flux and nucleate boiling on several heterogeneous wetting surfaces: controlled hydrophobic patterns on a hydrophilic substrate[J]. International Journal of Multiphase Flow, 2014, 62: 101-109.

[29] WENZEL R N. Resistance of solid surfaces to wetting by water[J]. Industrial and Engineering Chemistry, 1936, 28(8): 988-994.

[30] MIKIC B B, ROHSENOW W M. A new correlation of pool-boiling data including effect of heating surface characteristics[J]. Journal of Heat Transfer, 1969, 91(2): 245-250.

Pool boiling heat transfer on heterogeneous wetting microchannel surfaces

CHAI Yongzhi1, ZHANG Wei1,2, LI Ya1, ZHAO Yadong1

(1School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2The Beijing Key Laboratory of Multi-phase Flow and Heat Transfer, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Three types of microchannel surface (TS#1, TS#2, and TS#3) with non-uniform wettability were fabricated on bare copper surfaces by surface modification technology and electrical discharge machining (EDM). Each microchannel had the same rectangular cross section with a depth of 800 μm and width of 600 μm. The width of fin between two successive microchannels was also 600 μm. All these three microchannel surfaces had the same contact angle of 113.2° for the sidewall and bottom surfaces, but for the top surfaces, the contact angles were 8.6°(TS#1), 88.1°(TS#2) and 156.1°(TS#3), respectively. During the EDM fabrication process, cavities of 10 μm in size was formed due to the electric sparking. Thus, the fabricated microchannel surfaces were multiscale surfaces. The statured pool boiling heat transfer characteristics of deionized water on these three types of microchannel surface as well as the bare copper surface were investigated experimentally. Compared with the bare copper surface (BS,=88.6°), all these three microchannel surface with non-uniform wettability manifested a better heat transfer performance. The critical heat fluxes for TS#1 and TS#3 were increased by 61% and 35% compared with BS, while the maximum heat transfer coefficients were increased by 2.3 and 6 times. The bubble dynamics on the heated microchannel surfaces was visualized with a high speed camera. It was found that the surface property of non-uniform wettability can postpone bubble column coalescence, thus the gaps among bubble columns can provide the effective routes for the liquid supplementary to the heated surface, avoiding the occurrence of dry-out and enhancing the critical heat flux.

heterogeneous wettability; microchannels; heat transfer; bubble; critical heat flux

10.11949/j.issn.0438-1157.20161587

TK 124

A

0438—1157（2017）05—1852—08

張偉。

柴永志（1991—），男，碩士研究生。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51476057）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2015MS47）。

2016-11-09收到初稿，2017-01-09收到修改稿。

2016-11-09.

ZHANG Wei, w.zhang@ncepu.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51476057) and the Special Funds for the Fundamental Scientific Research of Central Universities (2015MS47).