多尺度仿生交错润湿性表面沸腾传热性能及机理

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1、多尺度仿生交错润湿性表面沸腾传热性能及机理BoilingHeatTransferPerformanceandMechanismofBiomimeticMulti-scaleInterlacedWettabilitySurface作者姓名：王现宝专业名称：农业机械化工程指导教师：张成春副教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月3日本文受以下项目资助1.国家自然科学基金项目：基于犬舌舌背微结构的仿生表面液膜蒸发换热性能研究（编号：51106062）摘要多尺度仿生交错润湿性表面沸腾传热性能及机理摘要沸腾传热在诸

2、多换热技术中具有最强的换热性能。提高沸腾传热的热流密度或减小沸腾所需要的过热度来强化池沸腾传热，对于提高能源的有效利用，减小换热表面的面积或换热器的体积，缩减工程投资等具有重要的意义。本文受纳米布沙漠甲虫背部交错润湿性结构的启发，提出了一种新型仿生多尺度交错润湿性表面,并制备了试验样件。应用试验研究与数值模拟相结合的方法，研究了多尺度仿生交错润湿性表面的沸腾传热性能及汽泡生长脱离规律。首先，在纳米布沙漠甲虫背部结构特点及其润湿特性文献分析的基础上，设计并制备仿生交错润湿性表面。在紫铜基底上经线切割加工出不同尺寸

3、的微正方柱结构，通过接触角测试验证了经线切割加工后的紫铜表面的亲水性。将微结构的上表面定义为上层，侧面及沟槽底面定义为下层，在不同尺寸微结构的不同层添加疏水的纳米结构（化学沉积硝酸银）制备多尺度仿生交错润湿性表面。其次，开展了低热流密度段内的仿生表面饱和核态池沸腾换热性能试验研究。利用设计的可视化饱和池沸腾试验测试系统，测试了两种微结构尺度下四种润湿性表面的换热性能，分析了不同润湿性表面对沸腾换热性能的影响。发现仿生交错润湿并表面具有更强的沸腾换热性能，微结构尺寸相同时，其沸腾换热系数最大为微结构表面的1.8倍

4、，为全纳米结构表面的1.47倍。应用图像采集及处理系统，开展了不同表面沸腾起始时成核地点、汽泡生长特点及稳定沸腾时汽泡脱离频率的研究，分析了不同润湿性表面对汽泡成核、生长及脱离的影响。结果表明，仿生交错润湿性表面能够增强对流换热及汽泡的移动，增加相变过程中质量的传递效率。4然后，应用试验试验优化设计中的L9(3)正交表，开展了强化表面领域四种因素（有无纳米结构、槽宽、肋宽和深度）下各三种水平在单一输入功率下的沸腾换热试验，测量了不同表面在稳定沸腾状态下的换热系数。通过对9种表面换热系数的极差分析，发现影响沸腾换

5、热性能的因素由强至若依次为：有无纳米结构、槽宽、深度和肋宽。最后，应用数值模拟对比分析了仿生交错润湿性表面和其它表面汽泡生长情I吉林大学硕士学位论文况。结果表明在微结构的存在限制了汽泡的生长，使汽泡直径较光滑表面小。仿生上亲下疏表面汽泡生长速率最大，其次依次为上下均疏水表面、仿生上疏下亲表面、上下均亲水表面及光滑表面。关键字：仿生表面，交错润湿性，饱和池沸腾，汽泡动力学IIABSTRACTBoilingHeatTransferPerformanceandMechanismofBiomimeticMulti-sc

6、aleInterlacedWettabilitySurfaceABSTRACTBoilingheattransfertechnologyhasthebestperformanceofheattransferinmanyheattransfertechnologies.Itissignificanttoimprovetheheatfluxordecreasesuperheatdegreetoenhancethepoolboilingheattransferforimprovementoftheefficientu

7、seofenergy,reductionofheatexchangerofheattransfersurfacearea,andsavingengineeringinvestment.InspiredbytheNamibDesertbeetleback’sstructure,thispaperproposesanovelbiomimeticmultiwettabilitysurfacestructure,andprocessesthetestsampleswithinterlacedwettabilitysur

8、face.Theboilingheattransferperformanceandtheruleofbubblegrowtharestudiedthroughexperimentsandnumericalsimulations.Firstofall,throughreviewingtheliteraturesregardingtheNamibDesertbeetlebackstruct