赵红霞1 韩吉田1 徐永田1 邵莉1 王美霞1

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1、第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集***强化沸腾传热表面的研究进展赵红霞1韩吉田1徐永田1邵莉1王美霞1(1山东大学制冷与低温研究所，济南，250061)摘要：：：强化沸腾多孔传热表面由于可以有效提高沸腾传热系数、减少换热面积和设备体积、降低设备初投资和运行费用而得到了广泛的应用。强化沸腾传热表面的发展经历了一个由常规大尺度到微纳米尺度渐进的过程。本文简述了自1930年以来强化沸腾传热多孔表面的研究现状与进展和当前微纳米多孔结构沸腾强化表面的研究现状，讨论了强化沸腾传热多孔表面的分析模型和强化机理以及存在的不足

2、，介绍了当前微纳米尺度光滑表面沸腾机理的实验研究进展，为加深对强化表面沸腾机理的理解提供参考。关键词：：：沸腾；强化传热；多孔表面；微纳米多孔结构1引言在能源的利用和传递中，如何有效的强化传热过程对于提高整个传热系统的效率和降低设备的投资与运行费用具有至关重要的意义。而强化沸腾传热技术作为其中重要且强化换热效果非常显著的一种技术尤其得到了人们的重视。自20世纪30年代开始人们展开对强化沸腾传热技术的研究以来，各种强化沸腾表面，如烧结多孔表面，机械加工多孔表面等被研制出来，并广泛应用于化工、能源动力、国防、航空航天、制冷空调和电子设备的冷却当中。随着微纳米技术的发展，人们

3、正在努力探索强化沸腾传热的微尺度多孔表面。微纳米尺度多孔结构可以大幅度提高传热面积，从而提高沸腾换热能力，有效解决高热流密度系统的冷却问题。可以预见，微纳米尺度多孔结构强化沸腾表面的研究将会带来强化沸腾传热技术上的一次飞跃。*国家自然科学基金资助项目(No.50776055).-1009-第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集尽管强化沸腾传热的多孔表面得到了较广泛的应用，但对于其强化沸腾传热的机理目前仍未有统一的结论。多孔表面强化沸腾传热的机理涉及到多个因素，包括空穴直径、空穴密度、气泡脱离直径和脱离频率、壁面过热

4、度等多种因素的影响。人们已经发展了多种分析多孔表面强化沸腾传热的模型，但这些模型都尚有待进一步发展和完善。随着计算技术和计算机的进步，利用数值模拟方法来分析多孔表面的强化传热机理和特性也得到了进一步的发展，且已经取得了较好的成果。本研究主要介绍沸腾传热强化表面研究的发展进程和现状，归纳总结强化沸腾传热机理的研究进展，并探讨该研究领域的今后发展方向。2强化沸腾传热表面的进展-从毫米到微纳米[1]Webb对强化沸腾表面的研究历史做了详尽的叙述。强化沸腾表面的研究始于1931年，Jacob和Fritz研究了粗糙表面对水的核态沸腾传热的强化效果。他们发现表面的颗粒粗糙度可以提高

5、换热系数15%，而沟槽管可以提高3倍，但是由于氧化等作用很快失效。对强化沸腾表面的研究一度中止，到1954年能源危机的时候人们又开始继续研究。在研究中人们发现空穴的形状对气泡的产生有着决定性的作用。空穴的开口直径决定了沸腾发生的过热度，空穴的形状决定了沸腾能否稳定进行。基于这一原理，人们构造了烧结多孔表面和机械加工多孔表面，这是当前应用最广泛的两种多孔表面。美国联合碳化物公司于上世纪70年代推出了[2]Highflux烧结多孔表面，利用烧结技术将金属粉末粘结在管子表面形成多孔结构，可以将沸腾传热系数提高3-10倍。但是烧结表面加工制作有一定难度，费用较高。而机械加工多孔

6、表面则是利用刀具在金属表面切削出一系列沟槽，然后滚压出具有一定规律和形状的空穴，加工相对容易，成本低，而换热效果与烧结多孔表面相当，因而应用更为广泛。该类结构表面[3]以Thermoexcel-E管型为代表（图1），表面空穴开口直径一般在0.1–0.3mm，节距在[3,4]0.5–4.0mm，空穴深度在0.3–0.9mm。图1Thermoexcel-E管型近年来，微纳米技术在各个领域都掀起了一场技术革命，强化多孔表面也开始向着微纳米多孔表面发展。人们采用各种加工-1010-图2带有针状微翅片的芯片SEM图像第二十一届全国水动力学研讨会暨第八届全国水动力学学术会议暨两岸船

7、舶与海洋工程水动力学研讨会文集[4]方法来制作微纳米多孔表面，并测试其强化沸腾传热性能。2002年Honda等利用干式蚀刻法在硅片表面制作了许多微型针状翅片（50×50×60mm，宽×厚度×高度），翅片节距为100mm（如图2所示），在针状翅片之间就形成了空穴。他们的实验发现微型针状翅片可以提高沸腾换热和临界热流CHF，而且降低起始沸腾过热度。他们通过高速摄影发现当气泡离开空穴时，会有少量的蒸汽保留在空穴里面，维持沸腾继续进行，从而大大提高了热流通量。[5]Wei和Honda还研究了微型针状翅片的尺寸对强化传热的影响。他们研究的翅片尺寸厚