姜洪鵬，白敏麗，高棟棟，高林松，呂繼組

（大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連 116024）

引 言

隨著電子元器件、航天器、發(fā)動(dòng)機(jī)等各類高功率設(shè)備不斷向高功率、低能耗方向發(fā)展，對(duì)冷卻系統(tǒng)提出越來越高的要求以保障設(shè)備的綠色、高效運(yùn)行[1-3]，因此微尺度傳熱[4]近期引起了大量學(xué)者的關(guān)注。以典型的高功率設(shè)備內(nèi)燃機(jī)為例，將具有微納結(jié)構(gòu)的親水和疏水表面合理地分布在內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔壁面可以控制傳熱，即采用局部強(qiáng)化或削弱的措施，達(dá)到既保證燃燒室部件的熱強(qiáng)度，又減少不必要的熱損失，提高內(nèi)燃機(jī)的有效功率，是冷卻水腔研究領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的重要問題。因此充分探究親水/疏水微納米結(jié)構(gòu)表面的特點(diǎn)與內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)合在工程應(yīng)用中具有重大意義[5]。

近年來，機(jī)械加工與材料科學(xué)的快速發(fā)展促進(jìn)了材料與傳熱領(lǐng)域的融合[6]，已經(jīng)有如微孔、微槽道、微坑、微柱等[7-10]多種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)表面用于沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)研究。Maddox等[11]發(fā)現(xiàn)沸騰傳熱性能隨著微柱高度單調(diào)遞增。He等[12]指出微納米復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)有利于核態(tài)沸騰，汽化核心數(shù)量更多，分布更均勻。Zhao等[13]研究了不同幾何參數(shù)微柱表面對(duì)池沸騰傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)表面相比光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(heat transfer coefficient,HTC)提高了32%～203%，較高微柱的表面在低熱通量下增強(qiáng)傳熱，在高熱通量下則會(huì)降低沸騰傳熱性能。Wang等[14]對(duì)光滑表面與規(guī)則陣列微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)研究，指出在單相對(duì)流階段熱傳遞受過冷度與流速的影響很大，在兩相流動(dòng)沸騰階段對(duì)流傳熱與沸騰傳熱同時(shí)起作用。杜保周等[15]研究發(fā)現(xiàn)微肋陣?yán)唛g形成的次級(jí)通道越寬，氣泡越容易脫離。同時(shí)許多學(xué)者從表面改性角度對(duì)表面強(qiáng)化沸騰傳熱機(jī)理進(jìn)行研究，Hu等[16]采用正十二烷基硫醇涂層對(duì)泡沫銅進(jìn)行疏水改性，并開展池沸騰研究，結(jié)果表明疏水改性可以使初始沸騰過熱度降低0.4～1.4 K，池沸騰傳熱系數(shù)最大提高了36%。Sadaghiani等[17]在硅基微孔表面上涂覆了一層約50 nm厚的聚四氟乙烯疏水涂層，將接觸角從71°提高到121°，對(duì)其進(jìn)行池沸騰實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，親水結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)提高了100%，臨界熱通量(critical heat flux density,CHF)在親水性表面和疏水性表面的增幅分別為100%和48%。鞏子琦等[18]將不銹鋼板的表面涂覆成接觸角138.4°的疏水表面并使用粒子圖像測(cè)速法(PIV)對(duì)表面氣泡生長(zhǎng)行為進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)過冷度越大，氣泡的生長(zhǎng)周期越長(zhǎng)，氣泡的脫離半徑越小。Lee等[19]制備了納米線親水表面并進(jìn)行池沸騰研究，指出過冷工質(zhì)通過抑制表面氣泡聚集使臨界熱通量有所提高。Kim等[20]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接觸角是決定疏水表面臨界熱通量的唯一主導(dǎo)因素，而表面微觀特性通過改變接觸角間接影響表面的臨界熱通量。

目前對(duì)于微結(jié)構(gòu)表面與浸潤(rùn)性表面的沸騰傳熱研究已經(jīng)取得了較為豐富的成果，但已有研究往往將微結(jié)構(gòu)幾何形貌與浸潤(rùn)性分開研究，或是使用光滑金屬基底加涂層的方式實(shí)現(xiàn)親水/疏水改性，而涂層的抗沖刷性、耐久性并不強(qiáng)；通過微結(jié)構(gòu)一步實(shí)現(xiàn)超疏水/親水表面改性并探究其流動(dòng)沸騰傳熱特性研究較少。因此本文采用激光燒蝕方法一步加工出無需改性即可獲得不同浸潤(rùn)性的紫銅表面，以去離子水為工質(zhì)，在不同表面以及過冷度的條件下開展了宏觀流道的流動(dòng)沸騰換熱研究。之后通過觀測(cè)結(jié)構(gòu)表面上的氣泡行為進(jìn)一步探究了親水性與疏水性對(duì)流動(dòng)沸騰傳熱的影響機(jī)理，驗(yàn)證了不同浸潤(rùn)性結(jié)構(gòu)表面在調(diào)控內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用上的可行性。

1 流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1(a)為微納結(jié)構(gòu)壁面流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)示意圖，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由恒溫水箱、高溫離心泵、渦輪流量計(jì)、測(cè)試段、冷凝器順次連接而成。工質(zhì)在恒溫水箱中經(jīng)煮沸除氣后加熱到指定溫度，打開離心泵使工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)。實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制加熱塊功率改變熱通量；通過高速攝像機(jī)對(duì)表面氣泡進(jìn)行拍照；使用差壓變送器測(cè)量測(cè)試段進(jìn)出口壓力差；使用自制并校準(zhǔn)好的T型熱電偶測(cè)量測(cè)試段進(jìn)出口流體的溫度以及加熱塊各點(diǎn)溫度；使用渦輪流量計(jì)測(cè)量工質(zhì)流量；溫度與壓力信號(hào)均通過數(shù)據(jù)采集儀(Agilent 34970A)記錄并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水腔的模擬結(jié)果[21]，設(shè)計(jì)了如圖1(b)所示的矩形可視化冷卻通道測(cè)試段，流道截面尺寸為10 mm×10 mm，底面開矩形通孔用于放置實(shí)驗(yàn)試樣，其余三個(gè)面均嵌入80 mm×20 mm的石英玻璃窗口以便可視化研究。考慮到表面需經(jīng)常更換的原因，加熱塊頂面開槽尺寸與微結(jié)構(gòu)試樣底面一致，為10 mm×50 mm，試樣表面為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。在加熱塊側(cè)面三個(gè)不同高度布置3排9列共27根熱電偶，其中熱電偶1～9距離加熱塊頂部4 mm、10～18距離加熱塊頂部14 mm，熱電偶19～27距離加熱塊頂部24 mm。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagramof experimental device

1.2 實(shí)驗(yàn)表面設(shè)計(jì)及表征

為了能夠通過調(diào)控微納結(jié)構(gòu)一步制備出疏水表面，本節(jié)將根據(jù)Cassie浸潤(rùn)模型對(duì)有序微結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先將微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，圖2(a)、(b)為Cassie模型俯視圖與側(cè)視圖，微結(jié)構(gòu)為微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)形狀通過凸臺(tái)側(cè)面與底面夾角ω控制，x、y、z分別為凸臺(tái)頂面長(zhǎng)度、凸臺(tái)間距和凸臺(tái)高度，h0為水滴底部最低點(diǎn)距離凸臺(tái)頂端的高度，θ為微結(jié)構(gòu)與水的接觸角。超疏水表面還需滿足凸臺(tái)最小高度條件，即當(dāng)z小于h0時(shí)，水與微結(jié)構(gòu)底面接觸，Cassie狀態(tài)會(huì)向Wenzel狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而形成親水表面。根據(jù)表面與水接觸角預(yù)測(cè)模型式(1)求出接觸角θc[22-23]：

圖2 Cassie界面微結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig.2 Micro model of Cassie interface

在得出的各個(gè)參數(shù)范圍中[24]，設(shè)計(jì)了四種微陣列結(jié)構(gòu)并通過激光燒蝕方法獲得四種不同浸潤(rùn)性的表面，結(jié)構(gòu)示意圖以及具體尺寸如圖3。

圖4為四種表面的靜態(tài)接觸角與不同放大倍數(shù)下的表面微觀結(jié)構(gòu)圖。接觸角用去離子水測(cè)量，液滴體積5μl，測(cè)量方法為五點(diǎn)擬合法，角度數(shù)據(jù)取4次不同位置測(cè)量的平均值，測(cè)量誤差為±1°。由微觀結(jié)構(gòu)圖可以看出整個(gè)銅片試樣表面形成了規(guī)則的微陣列結(jié)構(gòu)，微陣列結(jié)構(gòu)與圖3所設(shè)計(jì)的形貌基本相符。微陣列結(jié)構(gòu)構(gòu)成了基體表面的一級(jí)結(jié)構(gòu)，在微結(jié)構(gòu)的側(cè)邊以及頂部由于激光燒蝕熔融產(chǎn)生了大量微米級(jí)的小團(tuán)簇二級(jí)結(jié)構(gòu)顆粒，顆粒粒徑基本在10μm以下。圖4(a)中30μm的微柱高度失去了Cassie浸潤(rùn)狀態(tài)的最小高度條件，導(dǎo)致液體浸入凹穴內(nèi)，從而使表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性。圖4(b)各參數(shù)都在式(1)的范圍內(nèi)(50μm80μm)，微凸臺(tái)一級(jí)結(jié)構(gòu)和微米級(jí)團(tuán)簇二級(jí)結(jié)構(gòu)共同作用，保證了優(yōu)異的疏水性，接觸角為153°。圖4(c)中微凸臺(tái)的ω為50°，已在疏水條件范圍(55°<ω<80°)之外，液滴滴落后在表面完全鋪展開，表面呈現(xiàn)超親水性質(zhì)。圖4(d)中將微柱更換為微孔，表面同樣獲得了一定的疏水性(145°)。

圖3 四種表面形貌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖（單位:μm）Fig.3 Geometry dimensions of micro structure

圖4 四種結(jié)構(gòu)表面靜態(tài)接觸角與表面微觀形貌對(duì)比Fig.4 Contrast of copper surfaces in contact angles(CA)and micro structure

1.3 微納結(jié)構(gòu)表面流動(dòng)沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)方法

為了研究微結(jié)構(gòu)表面與裸銅表面的流動(dòng)沸騰傳熱特性差異，在壓力0.1 MPa，Reynolds數(shù)9416條件下，通過調(diào)節(jié)恒溫水箱溫度設(shè)置三組不同的過冷度，分別為10、20、30 K。采用CCD高速攝像機(jī)，確定幀數(shù)為5000幀/秒，儲(chǔ)存數(shù)目為2000張，對(duì)結(jié)構(gòu)表面上的氣泡行為進(jìn)行追蹤。在每一組實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)熱電偶溫度波動(dòng)小于0.3℃時(shí)即認(rèn)為進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，此時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)使用高速攝像機(jī)對(duì)氣泡行為進(jìn)行抓拍，調(diào)節(jié)加熱塊電壓以5 V為間隔從20 V增加到125 V并重復(fù)上述步驟。每次更換表面后，使用5%的稀鹽酸對(duì)試樣進(jìn)行去氧化處理并真空封存。每個(gè)工況重復(fù)3次取算數(shù)平均值記錄以確保實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性。

1.4 數(shù)據(jù)處理及不確定度分析

加熱塊被高隔熱性能的氣凝膠包裹，故加熱表面熱通量q由傅里葉一維導(dǎo)熱定律計(jì)算：

式中，加熱銅塊熱導(dǎo)率λCu=391 W·m-1·K-1；縱向兩相鄰熱電偶的排布間距Δx=10 mm；Tup、Tmid、Tdn分別代表豎直三個(gè)方向上相鄰9個(gè)熱電偶的平均值。根據(jù)誤差傳遞公式計(jì)算q誤差為0.78%。

為減小加熱塊與測(cè)試表面之間的接觸熱阻，在銅加熱塊頂部凹槽內(nèi)涂覆高溫?zé)o鉛錫膏，再根據(jù)傅里葉一維導(dǎo)熱定律推算出表面溫度Tw：

式中，錫膏厚度δ1=0.2 mm；熱導(dǎo)率λs=69 W·m-1·K-1；實(shí)驗(yàn)表面厚度與Tup到凹槽頂面距離的和δ2=7 mm；Tw的不確定度為0.6%。

傳熱系數(shù)h根據(jù)牛頓冷卻公式計(jì)算：

式中，Tin、Tout分別為測(cè)試段進(jìn)、出口溫度；Tf為流體主流溫度；h的不確定度為1.2%。

通過Image-Pro Plus對(duì)高速攝影拍攝的氣泡圖片進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量，每個(gè)試樣表面長(zhǎng)度均為46 mm，占1029個(gè)像素，將單個(gè)像素寬度(0.044 mm)作為標(biāo)尺。氣泡當(dāng)量直徑通過識(shí)別氣泡面積作為等效圓面積，表面上的氣泡尺寸并非固定值，故在每個(gè)工況下選取5張照片進(jìn)行處理，并求算數(shù)平均值（圖5）。氣泡系統(tǒng)識(shí)別邊緣誤差不超過1個(gè)像素，實(shí)際氣泡越大，相對(duì)誤差越小。實(shí)驗(yàn)中氣泡直徑大于0.1 mm時(shí)，氣泡面積占約5個(gè)像素，氣泡等效直徑相對(duì)誤差約小于45%。

圖5 氣泡的二值化處理示例Fig.5 Binarization of bubbles image

2 傳熱特性

2.1 不同浸潤(rùn)性結(jié)構(gòu)表面對(duì)流動(dòng)沸騰傳熱的影響

圖6(a)給出了四種表面在ΔTsub=0 K工況下，不同浸潤(rùn)性結(jié)構(gòu)表面與裸銅表面流動(dòng)沸騰曲線對(duì)比，其中裸銅為打磨并使用W1研磨膏拋光后的紫銅。在沸騰起始點(diǎn)(onset of nucleate boiling,ONB)前各條曲線沒有明顯差異，但進(jìn)入核態(tài)沸騰后，結(jié)構(gòu)表面的流動(dòng)沸騰曲線相比裸銅表面整體向左方偏移。在相同熱通量下疏水表面的壁面過熱度較裸銅表面有明顯降低，且隨著熱通量與疏水性的提高，壁面過熱度降低得越顯著。另外發(fā)現(xiàn)微孔疏水表面曲線在q=26.9 W·cm-2后斜率變小，同時(shí)觀察到表面膜態(tài)沸騰現(xiàn)象。兩種疏水表面都使沸騰起始點(diǎn)提前，微柱超疏水表面與微孔疏水表面的沸騰起始點(diǎn)比裸銅表面分別提前了約1.3 K和3.5 K，原因是疏水結(jié)構(gòu)表面在工質(zhì)流過時(shí)在表面上已有大量小氣泡覆蓋在表面，為達(dá)到沸騰起始狀態(tài)提供了大量汽化核心。微柱超親水表面與微柱親水表面的沸騰起始點(diǎn)相比裸銅表面分別滯后了2.8 K和3.9 K，這是由于親水表面的微結(jié)構(gòu)無法支撐工質(zhì)導(dǎo)致被工質(zhì)浸沒，微結(jié)構(gòu)無法貯存空氣，抑制了汽化核心形成。

圖6(b)為過冷度ΔTsub=20 K工況下，不同浸潤(rùn)性結(jié)構(gòu)表面與裸銅表面流動(dòng)沸騰曲線對(duì)比。在單相對(duì)流階段，相同熱通量下微柱超親水表面相比裸銅表面有效降低了壁面過熱度，其原因是微柱超親水表面的微柱尺寸在結(jié)構(gòu)表面中最大，增大了對(duì)流傳熱的接觸面積，故在對(duì)流傳熱中超親水表面體現(xiàn)出優(yōu)異的傳熱特性。兩種超疏水表面均沒有起到降低壁面過熱度的效果，甚至微孔疏水表面表現(xiàn)出惡化壁面?zhèn)鳠岬男Ч?。由于過冷狀態(tài)對(duì)汽化核心生成起到了抑制作用，五種表面的沸騰起始點(diǎn)均有了不同程度的延遲。

圖6 不同浸潤(rùn)性表面的流動(dòng)沸騰曲線Fig.6 Boiling curves on surfaces of different wettabilities

圖7(a)為五種表面在ΔTsub=0 K工況下，不同浸潤(rùn)性結(jié)構(gòu)表面與裸銅表面?zhèn)鳠崽匦郧€對(duì)比。結(jié)果顯示，具有微結(jié)構(gòu)的表面均起到不同程度的強(qiáng)化流動(dòng)沸騰傳熱效果，其中兩種疏水表面最大傳熱系數(shù)相比裸銅提高了34.5%和75.5%。一方面，由于疏水表面形成的微凹穴能夠捕捉氣體，在疏水表面未加熱時(shí)，工質(zhì)流過表面后已經(jīng)形成了一層氣膜，為沸騰傳熱提供了一定的汽化核心點(diǎn)，且隨著微結(jié)構(gòu)尺寸的減小，表面氣泡密度越大。另一方面，在不斷升高的熱通量下，疏水表面與工質(zhì)之間產(chǎn)生了足夠的溫差，使氣泡不斷逸出從而增強(qiáng)傳熱系數(shù)。超親水表面在低熱通量下一直處于對(duì)流傳熱階段，直到q=11.75 W·cm-2時(shí)才發(fā)生沸騰，甚至在高熱通量下有低于裸銅表面的趨勢(shì)。通過觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的表面形貌分析，這是由于裸銅表面在高過熱度下表面被燒毀從而形成了許多成核點(diǎn)進(jìn)而增強(qiáng)了傳熱。

圖7 不同浸潤(rùn)性表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)曲線Fig.7 Heat transfer coefficients for hydrophilic/hydrophobic surface

圖7(b)為五種表面在ΔTsub=20 K工況下，不同浸潤(rùn)性結(jié)構(gòu)表面與裸銅表面?zhèn)鳠崽匦郧€對(duì)比。過冷條件下的傳熱系數(shù)整體下降了約30%～40%，但不易進(jìn)入傳熱惡化狀態(tài)，其中微孔疏水表面最大傳熱系數(shù)下降了42.7%。在沸騰起始前，傳熱系數(shù)主要受對(duì)流傳熱面積及Reynolds數(shù)影響，疏水表面由于被難以脫離的氣泡覆蓋，導(dǎo)致有效傳熱面積減小，且空氣的熱導(dǎo)率極低，惡化了其對(duì)流傳熱特性。在進(jìn)入核態(tài)沸騰后，沸騰傳熱起到主導(dǎo)作用，傳熱系數(shù)隨著結(jié)構(gòu)表面提供的汽化核心數(shù)目提高而增大。

2.2 過冷度對(duì)沸騰傳熱的影響

為進(jìn)一步探究過冷度對(duì)親水/疏水表面的具體影響，選取具有顯著傳熱特性差異的微孔疏水表面與微柱親水表面進(jìn)行對(duì)比。圖8給出了兩種浸潤(rùn)性表面在不同主流溫度下壁面流動(dòng)沸騰曲線變化趨勢(shì)。通過對(duì)比圖8(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，在單相對(duì)流傳熱階段，對(duì)親水表面與疏水表面提高過冷度均可以有效減少壁面過熱度，其中微孔疏水表面在q=4.5 W·cm-2時(shí)，過冷度10、20、30 K條件下相比過冷度0 K分別降低過熱度1.9、7.9、20.2 K。這是由于在單相對(duì)流傳熱階段高過冷度可以提供較大的傳熱溫差，從而使對(duì)流傳熱系數(shù)增大。從圖中還能看出提高過冷度推遲了兩種表面的沸騰起始點(diǎn)。在兩相流動(dòng)沸騰階段，親水表面的沸騰曲線基本重合，可見過冷度對(duì)親水表面的沸騰階段影響不大。觀察圖8(a)發(fā)現(xiàn)，過冷度為30 K時(shí)的臨界熱通量最大，過冷度20、10、0 K的情況依次排在其后，過冷度為30 K時(shí)臨界熱通量比過冷度0時(shí)提高了1.8倍，表明提高過冷度可以有效延緩疏水表面的臨界熱通量。

圖8 不同過冷度下親水/疏水表面的流動(dòng)沸騰曲線Fig.8 Boiling curves under differentΔTsub for hydrophilic/hydrophobic surface

圖9所示為親水/疏水表面在不同主流溫度下的傳熱系數(shù)曲線。由圖可知，無論是親水表面還是疏水表面均呈現(xiàn)傳熱系數(shù)隨過冷度的提高而減小的特點(diǎn)，但相鄰曲線間距隨著過冷度增加而減小，即過冷度越高對(duì)傳熱系數(shù)的影響越小。原因是主流溫度過低對(duì)氣泡產(chǎn)生冷凝作用，當(dāng)過冷度提高到一定程度后表面已經(jīng)沒有氣泡產(chǎn)生，傳熱變?yōu)橐詥蜗鄬?duì)流傳熱為主的換熱模式。圖9(a)中q=37 W·cm-2時(shí)過冷度10 K的最大傳熱系數(shù)為過冷度30 K的1.65倍，遠(yuǎn)高于q=4.6 W·cm-2時(shí)的1.2倍，根據(jù)Chen[25]提出的疊加模型假設(shè)，表明隨著熱通量升高，沸騰傳熱所占比例相比對(duì)流傳熱有著顯著提升。

圖9 不同過冷度對(duì)親水/疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響曲線Fig.9 Heat transfer coefficients under differentΔTsub for hydrophilic/hydrophobic surface

3 氣泡行為特性

3.1 氣泡直徑分布規(guī)律

結(jié)構(gòu)表面相對(duì)于裸銅表面在傳熱性能上有了極大的提升，但親水表面與疏水表面在傳熱特性上又有一定的差異。進(jìn)一步對(duì)氣泡行為進(jìn)行具體統(tǒng)計(jì)分析，可以更好地觀測(cè)親水/疏水表面結(jié)構(gòu)上的流動(dòng)沸騰現(xiàn)象并揭示傳熱特性差異的內(nèi)在機(jī)理。

圖10為ΔTsub=20 K時(shí)不同熱通量下受熱壁面上氣泡等效直徑及數(shù)目統(tǒng)計(jì)圖。氣泡處于不斷從表面生長(zhǎng)脫離的動(dòng)態(tài)過程，但氣泡脫離后表面上原位置會(huì)繼續(xù)成核，故對(duì)表面上尚未脫離的氣泡進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以此來估計(jì)氣泡尺寸與汽化核心數(shù)目。從圖10(a)中可以觀察到，過冷流動(dòng)沸騰狀態(tài)下的氣泡尺寸比池沸騰研究[26]中的氣泡尺寸要小很多，裸銅表面氣泡尺寸在0.5 mm左右，而另外四種表面的尺寸約在0.2 mm左右。圖10(b)中可以看出氣泡數(shù)目隨著熱通量的升高而增加，結(jié)構(gòu)表面氣泡數(shù)目始終比裸銅表面數(shù)目多，其中疏水表面氣泡數(shù)目最多可達(dá)裸銅表面氣泡數(shù)目的5倍以上。這也從一定程度上印證了圖7中疏水表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較親水表面與裸銅表面強(qiáng)的結(jié)果。為了完整地研究親水/疏水性表面的流動(dòng)沸騰特性，進(jìn)一步對(duì)氣泡生命周期的變化特征進(jìn)行分析。

圖10 不同熱通量下表面上的氣泡直徑及數(shù)目Fig.10 Diameter and number of bubbles under different heat flux

3.2 氣泡生命周期

在高速攝像采集的圖片中選取壁面剛生成氣泡時(shí)作為起始時(shí)刻，并從此刻開始每隔5 ms逐幀提取圖片，直至氣泡冷凝消失時(shí)為氣泡的完整生命周期，其中從氣泡生成到脫離壁面之前的時(shí)間為生長(zhǎng)時(shí)間，氣泡脫離表面到在主流中湮滅的時(shí)間為脫離時(shí)間。由于超疏水表面氣泡脫離是在不斷匯聚的氣泡層上進(jìn)行的，難以發(fā)現(xiàn)其最初的成核點(diǎn)，因此將上一個(gè)大氣泡剛脫離時(shí)刻作為下一個(gè)氣泡生命周期起點(diǎn)開始計(jì)算。圖11為三種表面在q=9 W·cm-2，ΔTsub=0 K時(shí)流動(dòng)沸騰氣泡完整生命周期圖像。在流向上的氣泡尺寸與數(shù)量呈現(xiàn)遞增分布特性。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，超疏水表面上氣泡數(shù)目最多，其次是超親水表面和裸銅表面。開始時(shí)小氣泡在壁面不斷生長(zhǎng)匯聚但并未脫離，逐漸增大的體積增加了浮升力最終促使氣泡脫離壁面。超疏水表面生命周期比裸銅表面縮短40%，但二者的氣泡生長(zhǎng)時(shí)間均占整個(gè)生命周期的80%左右，說明氣泡大部分時(shí)間用于生長(zhǎng)匯聚。超親水表面氣泡生命周期最短，可見超親水表面的微柱群的間距較大，提供了氣泡充分發(fā)展的空間，加之親水表面的疏氣性質(zhì)，使凹穴中的氣泡容易脫離。

圖11 q=9 W·cm-2三種表面的氣泡生命周期Fig.11 Bubble growth period at different surface in q=9 W·cm-2

圖12(a)、(b)為親水表面與疏水表面尾端氣泡脫離行為。顯而易見微孔疏水表面在受熱面尾端存在局部膜態(tài)沸騰現(xiàn)象，這使得傳熱容易惡化。一方面流動(dòng)沸騰為沿流向具有溫度梯度的沸騰，表面尾端的沸騰現(xiàn)象更劇烈，而疏水表面的親氣性會(huì)使臨近的氣泡相互吸引團(tuán)聚，增大氣泡的脫離阻力。另一方面微孔疏水表面各自孔洞之間不相互連通，導(dǎo)致表面孔洞內(nèi)補(bǔ)液和排氣困難，因此出現(xiàn)了如圖6(a)中微孔疏水表面臨界熱通量極低的現(xiàn)象。親水表面的氣泡匯聚現(xiàn)象則是在氣泡脫離表面后發(fā)生的，并沒有如微柱疏水表面般出現(xiàn)局部膜態(tài)沸騰的現(xiàn)象，同時(shí)可以觀察到在脫離的大氣泡下面不斷生成相互獨(dú)立的微小氣泡，這與Yuan等[27]觀察到的流動(dòng)沸騰氣泡行為相一致。

圖12 親水/疏水表面尾端流動(dòng)沸騰現(xiàn)象Fig.12 Flow boiling at the end of hydrophobic/hydrophilic surface

3.3 氣泡行為分析

從圖10可以得出，四種具有微結(jié)構(gòu)的表面氣泡尺寸相差不大，但表面上的氣泡數(shù)目差距較明顯，故將本實(shí)驗(yàn)表面上統(tǒng)計(jì)的氣泡數(shù)目近似為汽化核心密度并與實(shí)驗(yàn)條件相關(guān)文獻(xiàn)[28-30]的流動(dòng)沸騰汽化核心密度預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比分析。三種預(yù)測(cè)模型的計(jì)算公式及來源見表1，對(duì)比結(jié)果見圖13。

表1 三種汽化核心密度關(guān)聯(lián)式Table 1 Three correlations for active nucleation site density

以往的研究往往是在光滑金屬基底表面上進(jìn)行的，汽化核心密度僅為壁面過熱度的函數(shù)。Basu等[28]和Paz等[29]考慮到了表面接觸角因素，但只適用于接觸角90°以下的表面，Paz等[29]在Hibiki等[31]的工作基礎(chǔ)上增加了低流速下的修正系數(shù)Fv、Fsub。通過圖13中的數(shù)據(jù)對(duì)比可知，本實(shí)驗(yàn)的汽化核心密度與關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)隨過熱度升高而增大的關(guān)系，但本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本處于106數(shù)量級(jí)，受過熱度影響不大。在過熱度10～20 K的范圍內(nèi)本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)式的集中度較好，而在過熱度10 K以下關(guān)聯(lián)度較差。以往的汽化核心密度預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式并沒有針對(duì)規(guī)則微陣列結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行預(yù)測(cè)，本實(shí)驗(yàn)中具有微結(jié)構(gòu)陣列的極端浸潤(rùn)性表面成核更容易，因此相比裸銅表面在低過熱度時(shí)就可以產(chǎn)生大量汽化核心。

圖13 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式對(duì)比Fig.13 Comparison of active nucleation site density between experimental data and predicted value inΔTsub=20 K

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)通過改變微觀結(jié)構(gòu)一步制備了具有穩(wěn)定浸潤(rùn)性的表面，并采用溫度采集與高速攝像結(jié)合的方法，以去離子水為工質(zhì)，對(duì)比分析了四種結(jié)構(gòu)表面與裸銅表面在流動(dòng)沸騰中的傳熱特性，得出如下結(jié)論。

（1）在單相對(duì)流階段，親水表面的微納結(jié)構(gòu)增大了對(duì)流傳熱面積，增強(qiáng)了傳熱。疏水表面由于覆蓋在表面上的氣泡在低熱通量下難以脫離，增大了熱阻，導(dǎo)致傳熱惡化。在兩相流動(dòng)沸騰階段，疏水表面提供了足夠的熱量，氣泡逐漸加速脫離從而增強(qiáng)傳熱；親水表面推遲了沸騰起始點(diǎn)，且汽化核心數(shù)目少于疏水表面，增強(qiáng)傳熱效果并不顯著。

（2）過冷度對(duì)親水表面與疏水表面的影響呈現(xiàn)單相對(duì)流階段影響較大，兩相流動(dòng)沸騰階段影響較小的特點(diǎn)，高過冷度可以提高臨界熱通量，但并不會(huì)提高傳熱系數(shù)。故在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)壁面適當(dāng)采用較低過冷度能有效增強(qiáng)核態(tài)沸騰，提高沸騰傳熱系數(shù)。

（3）疏水表面有較低的臨界熱通量，但在低過熱度下具有很高的傳熱系數(shù)。疏水表面在單相對(duì)流階段可以削弱傳熱，兩相流動(dòng)沸騰階段可以強(qiáng)化傳熱的特點(diǎn)，對(duì)于內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔精準(zhǔn)分區(qū)冷卻控制以及減少能耗具有重要意義。

符號(hào)說明

D——?dú)馀葜睆?，mm

Fsub——過冷度修正系數(shù)

Fv——流速修正系數(shù)

h——傳熱系數(shù)，W·m-2·K-1

Na——汽化核心密度，#·m-2

q——熱通量，W·cm-2

Rc——臨界孔隙半徑，m

ΔTsat——壁面過熱度(ΔTsat=Tw-Tsat)，K

ΔTsub——過冷度(ΔTsub=Tsat-Tf)，K

t——?dú)馀萆L(zhǎng)及脫離時(shí)間，ms

δ——壁面上下表面間厚度，mm

λ——熱導(dǎo)率，W·m-1·K-1

ρ+——無量綱密度差

ω——微凸臺(tái)側(cè)面與底面夾角，(°)

下角標(biāo)

dn——下排熱電偶

f——工質(zhì)流體

g——?dú)怏w

in——測(cè)試段入口

l——液體

mid——中排熱電偶

out——測(cè)試段出口

sat——飽和狀態(tài)

sub——過冷狀態(tài)

up——上排熱電偶

w——壁面