曹春蕾 何孝天 馬驍婧2)? 徐進良2)

1) (華北電力大學, 低品位能源多相流與傳熱北京市重點實驗室, 北京 102206)

2) (華北電力大學, 電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點實驗室, 北京 102206)

池沸騰是一種高效的傳熱方式, 目前主要通過剛性固體表面改性強化沸騰傳熱.本文以乙醇為工質(zhì), 實驗研究了光滑銅表面和液態(tài)金屬軟表面池沸騰傳熱.發(fā)現(xiàn)液態(tài)金屬軟表面可有效降低沸騰起始點(ONB)壁面過熱度, 飽和沸騰時, ONB壁面過熱度從光滑銅表面的約18 ℃降低到軟表面的約6 ℃, 沸騰傳熱系數(shù)最大提高了149%.與光滑銅表面相比, 液態(tài)金屬軟表面增加了汽泡核化穴數(shù)量, 減小了汽泡尺寸, 提高了汽泡脫離頻率.觀察到軟表面彈性毛細波和汽泡射流現(xiàn)象.彈性毛細波增強了壁面熱邊界層熱質(zhì)傳遞.發(fā)現(xiàn)汽泡脫離過程中, 汽泡尾部在液態(tài)金屬薄層內(nèi)形成殘余核化穴, 殘余核化穴快速長大, 與上升的大汽泡聚合, 形成汽泡射流現(xiàn)象.彈性毛細波及汽泡射流解釋了液態(tài)金屬軟表面強化池沸騰傳熱的機理.

1 引 言

池沸騰廣泛用于許多熱能耗散系統(tǒng)的冷卻, 如大功率電子設備、熱交換器和核反應堆等.池沸騰是一種伴隨著汽液相變的高效能量傳遞方式[1], 與自然/強制對流相比, 在保持低過熱度的同時可以達到較高的熱流密度[2].目前, 很多學者提出大量強化表面結(jié)構來增強沸騰傳熱.由于表面改性方法和表面結(jié)構形式不同, 采用的方法主要分為機械/微電子加工技術、表面涂層技術和化學工藝[3].機械/微電子加工技術是在表面構造不同的結(jié)構,通過擴大換熱面積、增加成核密度和改善毛細芯吸效果以達到強化沸騰傳熱的目的[4], 最初僅在表面構造簡單的幾何形狀用于增強換熱, 但隨著微納加工技術(MEMS/MNMS)的發(fā)展, 各種微結(jié)構如微腔[5]、微通道[6]、微柱[7]以及微孔表面[8]被用來改變表面形貌以提高沸騰傳熱性能.除此之外,Shimada等[9]通過多孔干涉板使液體在受限的縫隙中進行沸騰.Xu等[10]以丙酮為工質(zhì)將泡沫銅焊接在加熱表面上來增強沸騰傳熱.表面涂層是在不改變材料組成的基礎上修飾和增強表面功能.常用的表面涂層技術包括電鍍[11]、燒結(jié)[12]、噴涂[13,14]、真空濺射[15]、電化學沉積[16].Mao等[17]在銅表面自組裝氧化石墨烯納米顆粒制備氧化石墨烯納米涂層, 該表面臨界熱流(CHF)提高了78%, 最大傳熱系數(shù)(HTC)提高了41%.Yim等[18]在圓柱狀平面鋁(Al6061)上涂覆親水氧化鈦(TiO2)層研究表面潤濕性對池沸騰傳熱性能的影響, 結(jié)果表明, 與普通表面相比, TiO2涂層表面將池沸騰性能提高了64.1%.化學工藝主要指氧化或濕法刻蝕等, 氧化物可以改變固體表面的潤濕性, 而刻蝕可以獲得所需的各種表面結(jié)構.Lee等[19]利用陽極氧化技術在鋁合金表面制造出納米多孔表面, 與光滑表面相比, 納米多孔表面的起始壁面過熱度較低, 在低熱流密度下可以提高沸騰傳熱系數(shù).Ramaswamy等[20]以FC-72為工質(zhì)使用KOH溶液來刻蝕硅片,得到200 μm的微結(jié)構.實驗結(jié)果表明: 平均汽泡直徑隨著孔徑的增大而增大(對于相同的壁面過熱).在一定的孔徑下, 汽泡脫離直徑隨壁面過熱度的增加而增大.

通過以上的文獻綜述可以發(fā)現(xiàn), 目前對于池沸騰的研究主要集中在對固體加熱表面的改性和修飾, 而對于軟表面上池沸騰傳熱的研究卻未見報道, 盡管軟表面上的液滴潤濕[21,22]、蒸發(fā)[23]、冷凝[24,25]、結(jié)霜[26]、運動[27,28]、撞擊[29,30]等都已進行了大量的研究, 但對于汽泡與軟表面上的相互作用卻很少被關注.眾所周知的Young方程[31]為γsv–γsl=γlvcosθ(其中θ為接觸角,γ為表面張力,下標s, v和l分別代表固體, 氣體和液體), 但該方程僅強調(diào)了沿水平方向的力平衡, 而忽略了豎直方向上的液氣界面張力的垂直分量γlvsinθ.許多情況下, 例如固體是剛性, 這種忽略是允許的, 但若基底材料為軟材料, 該垂直分量將引起基底的表面變形[32].Weijs等[33]使用分子動力學模擬比較了納米液滴和納米汽泡對光滑、柔軟表面變形的影響.Rykaczewski[34]利用理論論證表明, 軟表面可以降低沸騰起始點所需的過熱量.目前有關軟表面的研究所用的材料多為橡膠、凝膠、硅酮等, 而這些材料的導熱系數(shù)都較低, 約為0.15—10 W/(m·K),并不適合用作沸騰加熱表面, 而諸如鎵基、鉍基合金的液態(tài)金屬是一種新興的功能材料, 具有非常獨特的物理化學性質(zhì).常溫下呈液態(tài), 具有沸點高、導電性強、熱導率高、安全無毒等屬性, 并具備常規(guī)高熔點金屬材料所沒有的低熔點特性[35].在各類室溫液態(tài)金屬中, 鎵基合金最具代表性.因此本實驗以乙醇為工質(zhì), 利用鎵銦錫Ga67In20.5Sn12.5液態(tài)金屬構建低成本、低工藝復雜度的沸騰傳熱軟界面, 進一步通過高速相機捕捉在沸騰時汽泡在液態(tài)金屬軟表面的生長圖像, 結(jié)合汽泡動力學理論, 研究其池沸騰傳熱機理.除此之外, 現(xiàn)有文獻報導大多是采用微細加工技術強化沸騰傳熱, 本文采用液態(tài)金屬軟表面及其形成的彈性毛細波強化沸騰傳熱, 相比于固體微結(jié)構表面, 軟表面強化傳熱是一個新的研究方向, 在強化傳熱領域具有潛在應用.

2 實驗系統(tǒng)及過程

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗裝置如圖1(a)所示, 整個系統(tǒng)由實驗段、電加熱系統(tǒng)、容器池、液體控溫系統(tǒng)、風冷冷凝器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成.其中實驗段的上端面由聚四氟乙烯固定, 兩者用硫化硅橡膠密封, 銅加熱塊用保溫棉保溫; 電加熱系統(tǒng)由穩(wěn)壓電源、調(diào)壓器和功率計組成, 通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器電壓控制加熱的熱流密度, 并通過功率計記錄其加熱功率; 容器池由鋼化玻璃構成, LED燈作為光源, 通過高速相機(MotionPro Y4, IDT, USA)對加熱表面微細化沸騰現(xiàn)象進行捕捉; 液體控溫系統(tǒng)由螺旋冷卻管、輔助加熱器、恒溫水箱及池內(nèi)放置的K型熱電偶組成, 以維持池內(nèi)液溫恒定, 液體溫度波動控制在±0.5 ℃; 風冷冷凝器放置在容器池上方, 用于保持恒定壓力, 并使冷凝水蒸汽回流.實驗數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集儀器Agilent 34970A收集并記錄.在實驗前,通過輔助加熱器加熱排除液體內(nèi)的不凝性氣體.實驗中所使用的工質(zhì)為乙醇, 其物性參數(shù)通過NIST查得, 如表1所列.

表1 乙醇的物性參數(shù)(20 ℃, 101.325 kPa)Table 1.Physical parameters of ethanol (20 ℃, 101.325 kPa).

圖1 (a)池沸騰實驗裝置.1: Ga67In20.5Sn12.5; 2: 冷凝盤管;3: 高速相機; 4: 功率計; 5: 調(diào)壓器; 6: Agilent 34970A; 7: 恒溫水箱; 8: 充液口; 9: K型熱電偶; 10: 壓力表; 11: 風冷冷凝器; 12: 輔助加熱器; 13: 聚四氟乙烯; 14: 紫銅塊.(b)紫銅塊尺寸(所有尺寸均以mm為單位)Fig.1.(a) Pool boiling experiment setup.1: Ga67In20.5Sn12.5;2: coiled-tube; 3: high-speed camera; 4: power meter; 5:voltage transformer; 6: Agilent 34970A; 7: constant temperature water bath; 8: filling port; 9: K thermocouple; 10:pressure gauge; 11: air-cooled condenser; 12: auxiliary heater; 13: teflon; 14: copper block.(b) Copper block size (all dimensions are in mm).

測試實驗段呈圓柱狀, 由紫銅材料制成, 相比鋁表面, 液態(tài)金屬在紫銅表面更容易鋪展成均勻厚度的薄液膜, 因而選擇紫銅作為基底材料.其幾何形狀和尺寸如圖1(b)所示, 銅塊底部為47 mm ×50 mm 的方形, 銅塊底部到頂部的距離為48 mm.試驗段的底部裝有直徑為8 mm的四根加熱棒用于試驗段加熱.在圓柱中間有3個間距為5 mm直徑為0.85 mm的小孔, 孔內(nèi)插入三個直徑為0.81 mm精度為0.2 ℃的K型熱電偶, 用于推算加熱表面溫度和熱流密度.其上端面為φ= 10 mm的圓形, 涂覆有液態(tài)金屬.

2.2 樣品制備與表征

2.2.1 液態(tài)金屬材料基本物性

本實驗采用的液態(tài)金屬為鎵銦錫合金(Ga67In20.5Sn12.5), 表2對比了鎵銦錫合金與水的主要物性.液態(tài)金屬Ga67In20.5Sn12.5具有較寬的單相工作溫區(qū), 10.5—1300 ℃始終為液態(tài).熱容方面, 水為常溫下質(zhì)量比熱容最大的物質(zhì); 雖然液態(tài)金屬的比熱小于水, 但是其密度高(約為水的6倍), 體積熱容也能達到水的1/2左右.流動性方面, Ga67In20.5Sn12.5的黏度僅為水的2倍左右, 具有較好的流動性.Ga67In20.5Sn12.5最大的優(yōu)點為具有很高的導熱率, 為水的27.5倍, 這使其具有很好的傳熱換熱能力[35].

表2 液態(tài)金屬Galinstan (Ga67In20.5Sn12.5)與水物性參數(shù)對比(20 ℃, 101.325 kPa)Table 2.Physical properties of liquid metal Galinstan (Ga67In20.5Sn12.5) and water at 20 ℃ and 101.325 kPa.

2.2.2 材料制備與表征

本實驗采用兩種加熱表面: 光滑紫銅表面和液態(tài)金屬Ga67In20.5Sn12.5軟表面.用2000目砂紙打磨拋光制作光滑紫銅表面.在實驗開始前, 將制備的樣品分別放入稀鹽酸、丙酮和酒精中各超聲清洗3 min, 以去除銅表面的氧化層和油脂, 最后用去離子水沖洗并吹干.為了在軟表面上進行沸騰實驗, 在乙醇液體環(huán)境中, 將Ga67In20.5Sn12.5液滴滴在銅表面上, 以防止Ga67In20.5Sn12.5氧化.因為銅對Ga67In20.5Sn12.5具有親水性, 所以液態(tài)金屬會迅速在銅表面擴散, 形成柔軟的液膜.通過控制Ga67In20.5Sn12.5的質(zhì)量來確定液態(tài)金屬的厚度.實驗中不同溫度下液態(tài)金屬的厚度分別為:Tb=78 ℃,δss,1= 120.35 μm;Tb= 60 ℃,δss,2=120.32 μm;Tb= 40 ℃,δss,3= 120.42 μm.

在沸騰實驗前, 對樣品表面進行表征(見圖2).采用環(huán)境掃描電子顯微鏡ESEM (FEI, Quanta 200, USA, 分辨率為3.7 nm)對拋光銅表面和Ga67In20.5Sn12.5表面進行表征.采用Dataphysics(OCA15 plus, GER, 不確定度為0.1°)測量樣品表面接觸角.以乙醇為液滴, 對以上制備好的兩種樣品進行接觸角測量.基本原理是將乙醇液滴通過微型注射器滴于樣品表面, 通過顯微鏡拍攝獲得去離子水液滴在結(jié)構表面的形態(tài), 再利用數(shù)字化圖像分析軟件計算接觸角θ.測得拋光紫銅表面的接觸角θcs為11.2°, 液態(tài)金屬表面的接觸角θss為5.8°.通過對比可知二者平均粗糙度基本相同, Ga67In20.5Sn12.5表面較光滑紫銅表面更親乙醇, 靜態(tài)接觸角較小.

圖2 樣品的接觸角測量和掃描電鏡圖像 (a)拋光紫銅表面; (b)液態(tài)金屬軟表面Fig.2.Contact angle measurement and scanning electron microscope image of the sample: (a) Polished copper surface; (b) Soft liquid metal surface.

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

實驗中, 方柱中的導熱過程按一維穩(wěn)態(tài)導熱處理, 根據(jù)傅里葉定律, 認為加熱銅塊的熱流量是沿著垂直方向進行, 熱流密度的計算公式如下式:

其中,q為沸騰熱流密度, 單位為W/m2;kcu為紫銅的導熱系數(shù), 單位為W/(m·K); 溫度梯度dT/dx利用三點向后泰勒級數(shù)近似計算[36]:

其中T1,T2,T3分別為銅加熱塊熱電偶孔頂部、中部和底部對應的溫度.

由(1)式求得沸騰表面溫度:

其中Tw為沸騰表面溫度;x1為沸騰表面到熱電偶T1的距離, 對于所有的測試表面x1= 14 mm.對應的沸騰傳熱系數(shù)h可以表示為:

其中,Tb為容器池內(nèi)工質(zhì)的溫度, 單位為℃.

由于溫度測量和熱電偶間距之間的距離而傳播的誤差用下式計算:

熱流密度q和沸騰傳熱系數(shù)h的不確定度可表示為

表面過熱度及液體的溫度最大的不確定度0.3 ℃, 計算熱流密度q接近CHF時, 不確定度小于4.80%.傳熱系數(shù)h的不確定度小于4.82%.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 沸騰傳熱特性

圖3給出了兩種表面在不同液溫(78, 60和40 ℃)下的沸騰曲線和傳熱系數(shù)曲線.從圖3(a)可以看出, 與光滑銅表面相比, Ga67In20.5Sn12.5軟表面沸騰起始點(ONB)的壁面過熱度ΔT明顯降低, 液溫78, 60和40 ℃時, 光滑銅表面ONB處的壁面過熱度ΔT分別為18.9, 18.0和19.5 ℃,Ga67In20.5Sn12.5軟表面ONB處的壁面過熱度ΔT為6.8, 8.3和6.9 ℃.在飽和狀態(tài)時(Tb= 78 ℃),Ga67In20.5Sn12.5軟表面ONB處的壁面過熱度ΔT=6.8 ℃, 而光滑表面的過熱度ΔT= 18.9 ℃, 與光表面相比降低了將近12 ℃.圖3(b)為兩種表面在不同液溫下傳熱系數(shù)與熱流密度的關系, 液態(tài)金屬軟表面的傳熱系數(shù)明顯高于光滑表面.為便于比較液態(tài)金屬軟表面相比光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提高程度,定義強化因子ε=(hsoft?hhard)/hhard×100% , 其中,hsoft為液態(tài)金屬軟表面的傳熱系數(shù),hsoft為光滑紫銅表面的傳熱系數(shù), 如圖3(c)所示, 液溫為78, 60和40 ℃時, 液態(tài)金屬軟表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大提高了149%, 88%和44%.從起始沸騰過熱度、傳熱系數(shù)等性能來看, 液態(tài)金屬軟表面明顯優(yōu)于光滑表面.汽泡在軟表面更容易成核,這與含兩種不混溶液體體系的汽泡成核理論一致[34].液態(tài)金屬軟表面?zhèn)鳠嵩鰪娭饕怯捎谄浔砻婢哂袕椥悦毑ê推萆淞鳜F(xiàn)象, 彈性毛細波增強了熱邊界層內(nèi)的熱質(zhì)傳遞.汽泡射流使液態(tài)金屬軟表面汽泡脫離頻率顯著增加.因此液態(tài)金屬軟表面能帶走更多的熱量, 傳熱效果更優(yōu).對于以上詳細的機理解釋將在3.3和3.4節(jié)進行詳細的介紹.

圖3 液溫78, 60和40 ℃條件下, 光滑銅表面和液態(tài)金屬軟表面的 (a)沸騰曲線, (b)傳熱系數(shù)曲線和(c)強化因子曲線Fig.3.(a) Boiling curve, (b) heat transfer coefficient curve and(c) Heat transfer enhancement factor of smooth copper surface and soft liquid metal surface at 78, 60 and 40 ℃.

3.2 汽泡動力學行為

3.2.1 低熱流密度下的汽泡動力學行為

為研究池沸騰傳熱性能與汽泡的大小、汽泡脫離頻率的關系, 實驗中利用高速相機記錄了表面的沸騰現(xiàn)象, 拍攝速度為4000 fps, 圖4為飽和沸騰時兩種表面的池沸騰可視化圖像, 可以看出, 相同熱流密度(q≈ 3.5 W/cm2)下, 液態(tài)金屬軟表面到達沸騰起始點(ΔT= 6.8 ℃)時, 光滑表面并沒有汽泡產(chǎn)生, 且此時光滑表面的過熱度(ΔT=16.9 ℃)較高.

圖4 低熱流密度下池沸騰可視化圖像 (a)光滑銅表面(ΔT = 16.9 ℃, q = 3.46 W/cm2); (b)液態(tài)金屬軟表面(ΔT =6.8 ℃, q = 3.47 W/cm2)Fig.4.Visualization images of pool boiling at low heat flux:(a) Smooth copper surface (ΔT = 16.9 ℃, q = 3.46 W/cm2);(b) Soft liquid metal surface (ΔT = 6.8 ℃, q = 3.47 W/cm2)..

3.2.2 中等熱流密度下的汽泡動力學行為

圖5為飽和沸騰時, 中等熱流密度(q=7.15—34.08 W/cm2)下池沸騰可視化圖像.在較低熱流密度時, 如圖5(a)和圖5(d), 汽泡多以孤立汽泡的形式存在, 但相比光滑表面, 液態(tài)金屬軟表面汽泡明顯較多, 汽泡尺寸明顯較小, 汽泡脫離頻率較快.隨著熱流密度的不斷增加, 沸騰核化密度不斷增加.如圖5(c)和圖5(f)所示, 光滑表面的汽泡開始出現(xiàn)幾個汽泡合并形成較大汽泡脫離的現(xiàn)象, 而液態(tài)金屬軟表面仍為分散汽泡脫離.相比光滑表面, 液態(tài)金屬軟表面的汽泡脫離頻率遠遠大于光滑表面, 大大促進了汽泡脫離時的瞬態(tài)導熱作用, 更多地帶走表面的熱量, 因此液態(tài)金屬軟表面的傳熱性能優(yōu)于光滑表面.

圖5 中等熱流密度下池沸騰可視化圖像 (a)—(c)光滑銅表面; (d)—(f)液態(tài)金屬軟表面Fig.5.Visualization images of pool boiling at medium heat flux: (a)–(c) Smooth copper surface and (d)–(f) Soft liquid metal surface.

3.2.3 高熱流密度下的汽泡動力學行為

B.左側(cè)發(fā)生電極反應式:2I--2 e-==I2,生成的I2遇到遷移過來的OH-時,在左側(cè)溶液中轉(zhuǎn)化為,所以右側(cè)溶液中絕不存在

高熱流密度下, 如圖6(a)所示, 光滑表面在熱流密度q= 57.07 W/cm2時已呈現(xiàn)蘑菇狀汽泡脫離模式; 而液態(tài)金屬軟表面在熱流密度q=58.85 W/cm2時, 汽泡多以兩個或者多個柱狀汽泡脫離, 此時液態(tài)金屬軟表面仍具有較強的傳熱能力.

圖6 高熱流密度下池沸騰可視化圖像 (a)光滑銅表面; (b)液態(tài)金屬軟表面Fig.6.Visualized images of pool boiling at high heat flux: (a) Smooth copper surface; (b) Soft liquid metal surface.

3.3 液態(tài)金屬軟表面彈性毛細波和汽泡射流現(xiàn)象

實驗觀察到液態(tài)金屬軟表面特有的彈性毛細波和汽泡射流現(xiàn)象, 如圖7所示, 在飽和沸騰下,

ΔT= 7.49 ℃,q= 4.74 W/cm2時, 汽泡脫離后會帶動液態(tài)金屬表面產(chǎn)生波動, 并沿圓周方向逐漸消散.且在汽泡脫離后, 液態(tài)金屬軟表面下方不斷出現(xiàn)小汽泡與上一個大汽泡合并的汽泡射流現(xiàn)象.如圖7(a)和圖7(b)所示, 母汽泡脫離后, 與軟表面下方生成的小汽泡合并, 隨后在6 ms時(圖7(d)),軟表面再次生成小汽泡與上一個合并汽泡合并, 雖然在10 ms時(圖7(f)), 軟表面仍產(chǎn)生小汽泡, 但由于此時母汽泡在浮升力的作用下逐漸升高, 底部小汽泡無法與之合并, 隨后獨自長大, 如圖7(g)和圖7(h)所示.

圖7 液態(tài)金屬軟表面彈性毛細波和汽泡射流現(xiàn)象(ΔT = 7.49 ℃, q = 4.74 W/cm2)Fig.7.Elastocapillary wave and bubble jet phenomena on soft liquid metal surface (ΔT = 7.49 ℃, q = 4.74 W/cm2).

進一步研究出現(xiàn)以上現(xiàn)象的機理, 雖然在實驗過程中盡量避免使液態(tài)金屬鎵銦錫合金(Galinstan)接觸空氣, 但與鋁一樣, Galinstan暴露在超過百萬分之一(ppm)的氧氣中其表面瞬間形成一層氧化膜[37], 這層氧化層很薄(根據(jù)真空條件下的x射線衍射研究得出該氧化層厚度為0.7 nm), 并且在沒有驅(qū)動力或物理擾動的情況下, 它不會隨時間顯著變厚[38].該氧化膜呈現(xiàn)出凝膠的特性使Galinstan表面類似于一個有固體外殼的彈性體,在小應力作用下, Galinstan表現(xiàn)出類似固體的彈性響應[39].另外, 如前所述軟材料會在表面張力垂直分量γlvsinθ的作用下變形[31,32].

如圖8(b)和圖8(c)所示, 液態(tài)金屬表面在液汽界面張力垂直分量γlvsinθ的作用下被抬起一個凸起, 當基底材料的剪切模量已知時, 該凸起的最大高度[40]為h*=γlvsinθ/G, (G為基底的剪切模量), 例如光滑銅表面,γlv= 15.24 mN/m,θcs=11.2°, 純銅的剪切模量G= 46.8 GPa, 則凸起的高度約為6.3 × 10–5nm.這時的變形可忽略不計.而對于液態(tài)金屬軟表面, Galinstan表面氧化層的剪切模量未知, 因此Galinstan表面的變形高度只能根據(jù)現(xiàn)有文獻進行估計, Jacob等[41]對在空氣和水中的鎵基合金的流變性質(zhì)進行了測量, 分別給出了不同應力下鎵基合金的應變響應, Galinstan與乙醇的接觸角θss= 5.8°,γlvsinθ= 1.28 × 10–3N/m, 在此量級下, 文獻中所測量的應變幅值為0.1%, 本實驗中的液態(tài)金屬直徑為10 mm, 則液態(tài)金屬表面所產(chǎn)生的形變尺度約為10 μm.汽泡長大過程中該凸起隨三相接觸線移動, 在汽泡脫離瞬間, 液態(tài)金屬在彈性恢復力的作用下回到水平面,但由于慣性作用會繼續(xù)向下運動, 從而形成液態(tài)金屬表面的震動和因震動沿水平方向傳播的彈性毛細波, 如圖8(e)所示.此外, 汽泡在脫離的過程中, 由于液態(tài)金屬氧化后的表面特有的黏附性[39],自接觸后液態(tài)金屬軟表面黏附在一起從而留下殘余核化穴, 該殘余核化穴的存在有效降低了核化能壘, 縮短了壁面蓄能時間.殘余核化穴快速長大, 與上升的大汽泡聚合, 形成汽泡射流現(xiàn)象, 如圖8(f)和圖8(g).

圖8 液態(tài)金屬軟表面彈性毛細波和汽泡射流現(xiàn)象機理(ΔT = 7.49 ℃, q = 4.74 W/cm2)Fig.8.Mechanism of soft surface elastocapillary wave and bubble jet phenomenon on soft liquid metal surface.

3.4 強化沸騰傳熱機理

低熱流密度下(q= 3.46—7.15 W/cm2), 如前所述, 液態(tài)金屬軟表面可將ONB處的壁面過熱從光滑銅表面上的約18 ℃降低到液態(tài)金屬軟表面上的約6 ℃.Rykaczewski等[34]從理論上評估了表面的軟化是否可以控制核沸騰開始時壁面的過熱度.他們給出了諸如乙醇之類的揮發(fā)性液體與諸如Ga67In20.5Sn12.5之類的非揮發(fā)性液體界面的蒸汽胚形成速率的理論表達式.理論預測表明, 乙醇沸騰的壁面過熱可降低5 ℃.除此之外, Rykaczewski等[34]也認為表面的軟化增強ONB是通過蒸汽捕獲機制產(chǎn)生, 該機制由微觀變形引起的空腔橋接而產(chǎn)生.而本實驗表明, 這種軟表面可將ONB處的過熱降低12 ℃, 目前的觀察結(jié)果與Rykaczewski等的預測一致.

如3.2.2節(jié)所述, 中等熱流密度(q= 7.15—34.08 W/cm2)下, 液態(tài)金屬軟表面較光滑表面汽泡增多, 汽泡尺寸減小, 進一步研究液態(tài)金屬軟表面汽泡更易脫離機理.汽泡脫離受浮升力、慣性力和毛細力控制[42].首先考察慣性力項.兩種表面均處于旺盛沸騰階段, 假設汽泡成長所需的熱量, 一是由加熱表面通過汽泡底部直接供給, 一是通過汽泡周圍的過熱邊界層輸入, 根據(jù)能量平衡則有:

其中,Am為汽液接觸面,Aw為汽泡底部與壁面的接觸面,hfg為液體的汽化潛熱,ρv為蒸汽密度,q1,q2分別表示通過汽泡底部和汽泡周圍過熱液層向汽泡傳遞的熱流密度.假設汽泡為球形, 略去摩擦力, 考慮表面張力、慣性力和浮力平衡的條件下得到下式:

式中Cf為汽泡成長流體動力阻力系數(shù),Dd為汽泡躍離直徑,f(θ)為潤濕函數(shù),表示液體移動速度, 即等于汽泡成長速率.

因此, 當加熱功率相同時, 不同表面上汽泡通過底部和周圍流體獲得的總熱量接近.由(8)式可知, 汽泡生長速度是汽泡尺寸和熱流密度的函數(shù).由(9)式可知, 汽泡慣性力由汽泡尺寸和生長速度決定.因此, 當兩種表面上汽泡直徑相等且尚未脫離時, 汽泡所受慣性力大小相近.

汽泡毛細力與汽泡直徑、表面接觸角和表面形貌有關.液態(tài)金屬(LM)表面接觸角小于光滑表面(CS), 有利于汽泡脫離.液態(tài)金屬表面張力作用下發(fā)生形變, 汽泡脫離后形變恢復, 向外傳遞彈性毛細波.由于波紋曲率未知, 液態(tài)金屬形變引起的毛細力難以估計, 以下從能量的角度分析汽泡脫離前后準穩(wěn)態(tài)表面能變化, 判斷表面形變是否有助于汽泡脫離.假設兩表面上汽泡直徑相同, 表面接觸角θ相同, 僅分析表面形變對汽泡脫離前后表面能變化的影響.如圖9(a)和圖9(c)所示, 汽泡直徑D相等, 則二者汽固界面投影面積S相同.液態(tài)金屬表面在表面張力作用下發(fā)生形變, 實際汽固界面略大于S, 表示為αS, 其中α為大于1的系數(shù).若此時汽泡脫離, 如圖9(b)和圖9(d), 液態(tài)金屬表面形變恢復, 兩類表面新增固液和汽液表面積均為S.汽泡脫離前后表面能變化分別為

圖9 液態(tài)金屬軟表面汽泡更易脫離機理Fig.9.Mechanism of easier detachment of bubbles on soft liquid metal surface.

根據(jù)Young方程:

由(10)式—(12)式推出:

(14)式中, 表面能變化恒大于0, 說明固體表面汽泡脫離不會自發(fā)進行, 需要外界浮升力克服表面能勢壘.(13)式中α> 1, 且液態(tài)金屬表面張力γsv高于乙醇表面張力γvl一個量級, 因此ΔELM<ΔECS.說明表面存在形變時, 液態(tài)金屬表面能勢壘小于光滑銅表面, 汽泡脫離所需浮升力更小, 汽泡容易脫離.

綜上, 兩種表面汽泡生長至相同直徑時, 所受慣性力和浮升力大小近似.液態(tài)金屬接觸角更小,則汽泡脫離毛細阻力較小.同時液態(tài)金屬表面在表面張力作用下形變, 相當于為汽泡脫離提供額外毛細推力.因此液態(tài)金屬表面汽泡容易脫離, 而光滑表面汽泡脫離較難, 需繼續(xù)生長以獲得更強的浮升力, 脫離直徑較大.

汽泡的成長過程主要分為兩個階段: 主要受慣性控制的初始階段和熱擴散控制的后期階段, 在初始階段汽泡直徑與熱邊界層厚度相當(D～δT), 在后期階段, 汽泡成長主要靠汽液界面的過熱液體和熱邊界層向汽泡傳遞熱量, 熱擴散控制占主導地位, 汽泡直徑大于熱邊界層厚度(D>δT), 根據(jù)[43]δT= 3.22k/hsoft(k為液體導熱系數(shù),hsoft為沸騰傳熱系數(shù))計算熱邊界層厚度δT≈ 15 μm.汽泡脫離時引起液態(tài)金屬表面的形變hc≈ 10 μm與熱邊界層厚度δT相當, 因此汽泡脫離引起的液態(tài)金屬彈性毛細波足以對熱邊界層產(chǎn)生擾動.如圖10所示, 液態(tài)金屬彈性毛細波在徑向傳播時, 界面兩側(cè)的流體分子的流線為環(huán)形相當于二次渦流, 因此光滑表面熱邊界層未受到擾動, 熱邊界層內(nèi)主要以導熱和自然對流為主, 而液態(tài)金屬軟表面波動引起的渦旋強化了熱邊界層內(nèi)的傳熱傳質(zhì).因而液態(tài)金屬軟表面汽泡脫離直徑較小, 汽泡脫離頻率較高,相比光滑表面, 液態(tài)金屬軟表面能帶走更多的熱量, 具有更優(yōu)的傳熱性能.除此之外, 本文研究發(fā)現(xiàn), 在整個熱流密度范圍內(nèi)(低、中、高q), 相比于銅光滑表面, 液態(tài)金屬軟表面都提高了沸騰傳熱系數(shù), 其機理為彈性毛細波對熱邊界層的擾動.

圖10 液態(tài)金屬軟表面強化沸騰傳熱機理Fig.10.Mechanism of boiling heat transfer enhancement on soft liquid metal surface.

對于飽和沸騰, 光滑銅表面和液態(tài)金屬軟表面的臨界熱流密度相差不大(見圖3(a)), 但過冷沸騰條件下, 液態(tài)金屬軟表面顯著提高了臨界熱流密度(見圖3(a)), 原因是液態(tài)金屬軟表面產(chǎn)生的汽泡動力學行為, 有利于乙醇液體對加熱面的補充.

4 結(jié) 論

本文通過實驗手段研究了液態(tài)金屬Ga67In20.5Sn12.5軟表面在常壓下池沸騰中的傳熱性能和汽泡動力學行為, 實驗工質(zhì)為無水乙醇, 采用高速相機對微細化沸騰現(xiàn)象進行捕捉, 通過與光滑表面對比得到如下結(jié)論.

1)液態(tài)金屬Ga68.5In21.5Sn10軟表面可有效降低沸騰起始點對應的壁面過熱度, 在飽和沸騰時, 沸騰起始點處壁面過熱度較光滑表面降低近12 ℃.

2)與光滑表面相比, 液態(tài)金屬軟表面的汽泡數(shù)量較多, 汽泡尺寸較小, 汽泡脫離頻率較快, 沸騰傳熱性能較好, 液溫為78, 60, 40 ℃時, 液態(tài)金屬軟表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)最大提高了149%, 88%, 44%.

3)液態(tài)金屬軟表面在汽泡三相接觸線處表面張力豎直分量γlvsinθ的作用下發(fā)生彈性變形, 從表面能分析的角度, 液態(tài)金屬軟表面汽泡脫離前后表面能變化ΔELM小于光滑表面表面能變化ΔECS.說明表面存在形變時, 液態(tài)金屬表面能勢壘小于光滑銅表面, 汽泡脫離所需浮升力更小, 汽泡容易脫離.

4)觀察到液態(tài)金屬軟表面彈性毛細波和汽泡射流現(xiàn)象, 彈性毛細波增大了液態(tài)金屬與乙醇的接觸面積, 增強了壁面熱邊界層內(nèi)的熱質(zhì)傳遞.汽泡射流使液態(tài)金屬軟表面汽泡脫離頻率顯著增加, 因此液態(tài)金屬軟表面的傳熱性能優(yōu)于光滑表面.