微结构换热表面强化沸腾换热特性研究

摘要

沸腾换热作为一种传热温差低和热流密度高的换热方式已在日常生活和各种工程技术领域中得到了广泛的应用。国内对于沸腾换热的理论研究还处在发展阶段，尤其对于改变微结构换热表面性质和流体介质的沸腾换热性能的理论研究尚不完善。深入探讨其沸腾换热的机理，为强化沸腾换热性能提供可靠的理论依据具有十分重要的现实意义。本文在综述沸腾换热的理论研究、微纳米结构、润湿性以及换热工质的改变对沸腾换热影响的研究现状的基础上，采用理论分析和数值计算相结合的方法对不同换热条件下的沸腾换热特性进行了细致的分析和研究。
　　本文以具有不同尺寸的微柱体换热表面为研究对象，研究其在改变换热表面的润湿性以及换热工质的条件下的沸腾换热性能。研究的参数包括各工况沸腾换热过程中的气泡运动情况、换热表面的温度变化以及沸腾传热系数的变化。对于表面润湿性的研究包括，在换热表面添加亲水特性和亲疏水混合特性两种。研究结果表明，相对于光滑平面，具有亲水特性和亲疏水特性的微柱体换热表面的沸腾性能均有所提高。与光滑平面相比，在亲水条件下和亲疏水的条件下，换热表面温度下降最多、传热系数上升最高的均是微柱体宽度为3μm、高度为9μm的换热表面。其表面温度下降率和平均传热系数上升率分别为：6.75％和7.07%、243.60%和244.88%。对两种不同润湿特性的换热表面综合分析得到：就平面而言，亲水特性比亲疏水特性更具有优势；反之，具有亲疏水特性的微柱体换热表面比具有亲水特性的微柱体换热表面的沸腾换热更具优势。其中，微柱体的高度为3μm和5μm时，亲疏水特性的换热表面平均传热系数明显大于亲水换热表面。其相对光滑平面的上升率的差值在30.56%~71.05%之间。
　　在换热条件与亲疏水特性的微柱体换热模型一致的条件下，以体积分数为3%的Cu/水纳米流体代替水作为换热工质进行了沸腾换热的研究。因换热表面的温度受微柱体尺寸的影响最大，所以微柱体宽度为3μm，高度为9μm时换热表面温度最低，为391.38K。但由于柱体顶部疏水特性以及纳米流体物性的共同作用使得微柱体的高度为9μm时固液接触面积减少，弱化了传热，故宽度为1μm，高度为7μm微柱体亲疏水的换热表面的平均传热系数最高；相对于光滑平面而言，其上升率为136.74%。同时，与光滑平面相比，添加了Cu/水纳米流体，且具有亲疏水特性的换热表面的沸腾换热性能均有所提高。由于纳米流体粘度的增加使得气泡体积增大的同时降低了气泡脱离的速度和频率，故与相同条件下以水为换热工质的沸腾换热相比，其沸腾换热性能均有所下降。

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第1章 绪论

1.1课题的背景及研究意义

1.2 沸腾换热的研究现状

1.3 本课题的主要研究内容及创新点

1.4 本章小结

第2章 理论分析与数学模型

2.1 池沸腾换热的理论分析

2.2 池沸腾换热的数值计算

2.3 光滑平面池沸腾的数值模拟与分析

2.4 本章小结

第3章 亲水特性微柱体换热表面的沸腾换热性能研究

3.1 几何模型

3.2 结果与分析

3.3 与光滑平面沸腾换热效果的对比分析

3.4 本章小结

第4章 亲疏水特性微柱体换热表面的沸腾换热性能研究

4.1 几何模型

4.2 结果与分析

4.3 与光滑平面沸腾换热效果的对比分析

4.4 与亲水换热表面沸腾换热效果的对比分析

4.5 本章小结

第5章 纳米流体在微柱体换热表面上的沸腾换热性能研究

5.1 纳米流体的物性参数

5.2 结果与分析

5.3 与光滑平面沸腾换热效果的对比分析

5.4 与换热工质为水的亲疏水换热表面沸腾换热效果的对比分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与专利

致谢