2018傳熱傳質(zhì)學(xué)年會(huì)集

飛秒激光加工表面池沸騰換熱研1，1，1，1，家1,2 : , ：FC-72為工質(zhì)，研究了飛秒激光加工的微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的池沸騰換熱性能。結(jié)果表LS30和LS70（3070分別表示微結(jié)構(gòu)間距）CHFHTCLS100，LS200，LS200-2，LS400和LS800的CHF和HTC相比于光滑表面都得到了十分明顯的提高。HTC的提高主要?dú)w因于納米多孔層汽化密度的增加以及表面積強(qiáng)化比的增面CHF91%FC-72的毛細(xì)芯吸發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微結(jié)構(gòu)間距較大時(shí)，毛細(xì)芯吸作用CHFCHF提升的主導(dǎo)因素。（CHF近年來(lái)研究表明微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)能通過(guò)增加表面的汽化密度[1]，改善潤(rùn)濕性[2]58%HTC強(qiáng)化效果，原因是納米顆粒能增強(qiáng)表面潤(rùn)濕性，增加粗糙度和汽化數(shù)。Rahman等[3]通過(guò)對(duì)具有不同尺度、表面結(jié)構(gòu)形貌本文用飛秒激光加工制作了具有不同微結(jié)構(gòu)間距和不同微溝槽深度的微/納復(fù)合結(jié)CHF的提升的影響。實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試裝表面制造和表本文微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面由飛秒激光加工技術(shù)而成為了研究不同微結(jié)構(gòu)間距對(duì)800μm的微/（LS30LS70LS100LS200、LS80010W200μm但是微溝槽更深的表面（LS200-1為加工表面3-D共聚焦顯微鏡下的放大圖。表1列出了從三維結(jié)構(gòu)圖獲取的表面幾何參數(shù)，表中p、Hp、r和φs分別代表微結(jié)構(gòu)間距、微溝槽深度、表面積強(qiáng)化比和層覆蓋，而對(duì)于LS100、LS200、LS200-2、LS400和LS800而言，納米多孔層無(wú)法完全微溝槽深度為35-40μm，而對(duì)于LS200-2，其微溝槽深度為101μm，遠(yuǎn)大于其他六個(gè)表1r1測(cè)試表面三維圖：(aLS30，(b)LS70，(c)LS100，(d)LS200，(e)LS200-2，(fLS400和LS800的2分納米多孔層覆蓋區(qū)域(a)和光滑區(qū)域(b)SEM實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)步FC-7256℃)的過(guò)冷度維持在接近飽和的狀態(tài)（1表面由硅片（尺寸為長(zhǎng)×寬×高10mm×10mm×0.5mm）加工而成兩根銅導(dǎo)線通過(guò)超聲0.3mmT型熱為由高速機(jī)進(jìn)行拍攝，拍照速度為1000幀/s，分辨率為512×1028。能，因此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中工質(zhì)除氣處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)以恒熱流密度方式加熱，當(dāng)壁面溫度急不確定度分

3UI的乘積算得，qh計(jì)算方法如下：qUA

h

12%實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分微納復(fù)合結(jié)構(gòu)池沸騰換熱性覆蓋HTC有十分顯著的提高CHF無(wú)明顯提升。第二類表面LS100，LS200，LS200-2，LS400，LS800HTC和CHF均有明顯提升。LS30和LS70的CHF17.818.3W/cm210%13%LS30LS70HTC3.965.87CHFHTC的提升主要可以歸因?yàn)楸砻嫫芏鹊奶岣摺膱D2可以看出，納米多孔層中大量的納米級(jí)空穴可提供大量的汽化，有效汽化尺寸Dc可由Wang等[8]提出D

v 壁面過(guò)熱度達(dá)到一定值時(shí)（本文為8K），大量的汽化可同時(shí)得到激活，造成換熱步降低11可知，LAS30和LS70具有最高的納米多孔層覆蓋面積LS70LS30LS70在所有測(cè)試表面中具有最高的換熱系數(shù)。4測(cè)試表面池沸騰換熱性能對(duì)比：(a)(b)換熱系數(shù)曲線2測(cè)試表面的換熱性能總結(jié)LS200-對(duì)第二類表面而言，當(dāng)加微溝槽深度一定p≥100μm時(shí)，表面CHFp的騰起始后至q=12W/cm2前均十分陡直，這是因?yàn)楹藨B(tài)沸騰開(kāi)始后大量的汽化被激1015W/cm2時(shí)，與LS30及逐漸減小，因此表面的汽化密度隨著p的增大而降低，這一方面導(dǎo)致HTCmax隨之從前文的分析可知，LS200在相同加工深度的表面中具有最高的CHF和較大的HTCmax200μm可以視為所研究表面中綜合換熱性能最好的表面。以此為基礎(chǔ)本高CHF和HTCCHFHTCmax相比于光滑表面提高91%417%。這是因?yàn)橄郃CHF預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式：A

qKlhfgdV/

w

tdV/

AcΔH

t

t式中qCHF，qCHF,SS和ΔqCHF,wick分別為表面的臨界熱流密度，光滑表界熱流密度和由于毛細(xì)芯吸作用導(dǎo)致的臨界熱流密度增量；AcAw分別代表毛細(xì)管內(nèi)徑和液體與表FC-72的毛細(xì)芯吸作用。圖5展示了根據(jù)（4）算得CHF增量與實(shí)驗(yàn)CHF增量對(duì)比圖。從圖5對(duì)比發(fā)現(xiàn)p較小時(shí)，如LS30、LS70和LS100，ΔqCHF,wick與微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)相對(duì)于光滑表大，且ΔqCHF,wick明顯低于ΔqCHF，這就說(shuō)明這種情況下毛細(xì)芯吸作用不是CHF增加的主2cos

D1

D 4 uave

l

lκμ分別為液體對(duì)毛細(xì)通道的滲透率和動(dòng)力粘性系數(shù)，θ為接觸角，g為重力加速度，D和uave分別為毛細(xì)通道特征長(zhǎng)度和液體在毛細(xì)通道內(nèi)的流速Carman-Kozeny滲透率關(guān)系式[11]κ只與通道幾何尺寸有關(guān)。對(duì)于超親水表面而言或高潤(rùn)濕性液體而結(jié)

微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面能顯著HTC和CHF，并且有效降低沸騰的起始溫度。微結(jié)構(gòu)間距對(duì)沸騰換熱性能影響十分顯著。對(duì)于小間距表面來(lái)說(shuō)，如LS30和LS70，其CHF微溝槽的深度的增加可進(jìn)一步強(qiáng)化微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的換熱性能，相比于LS200，具有更深的微溝槽深度的表面LS200-2具備最高的CHF，相比于光滑表面提高了91%。HTC的提高主要?dú)w因于納米多孔層汽化密度的增加以及表面積強(qiáng)化比的增加，LS70具有最大HTC，為光滑表面5.87倍。對(duì)CHF的提升有限，此時(shí)毛細(xì)抽吸作用并不CHF提升的主導(dǎo)因素。SudevDas,D.S.Kumar,SwapanBhaumik.Experimentalstudyofnucleatepoolboilingheattransferofwateronsiliconoxidenanoparticlecoatedcopperheatingsurface.AppliedThermalEngineering,2016,96:555--567.RenkunChen,Ming-ChangLu,VinodSrinivasan,etal.Nanowiresforenhancedboilingheattransfer.NanoLetters,2009,9(2):548--553.MdMahamudurRahman,Emre?l?ero?lu,MatthewMcCarthy.Roleofwickabilityonthecriticalheatfluxofstructuredsuperhydrophilicsurfaces.Langmuir,2014,30(37):11225--11234.HoSeonAhn,GunyeopPark,JiMinKimetal.Theeffectofwaterabsorptiononcriticalheatfluxenhancementduringpoolboiling.ExperimentalThermal&FluidScience,2012:42(5):187--195.SangwooShin,GeehongChoi,BeomSeokKimetal.Flowboilingheattransferonnanowire-coatedsurfaceswithhighlywettingliquid.Energy,2014,76:428--435.JinjiaWei,H.Honda.Effectsoffingeometryonboilingheattransferfromsiliconchipswithmicro-pin-finsimmersedinFC-72.InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2003,46(21):4059--4070.C.Kruse,A.Tsubaki,C.Zuhlke,etal.Secondarypoolboilingeffects.AppliedPhysicsLetters,2016,108(5):827--842.C.H.Wang,V.K.Dhir.Effectofsurfacewettabilityonactivenucleationsitedensityduringpoolboilingofwateronaverticalsurface.AsmeJournalofHeatTransfer,1993,115:659--669.ZhenCao,BinLiu,CallePreger,etal.PoolboilingheattransferofFC-72onpin-finsiliconsurfacesnanoparticledeposition.InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2018,126:1019--SeolHaKim,GiCheolLee,JunYoungKang,etal.Boiling