2018传热传质学年会集

飞秒激光加工表面池沸腾换热研1，1，1，1，家1,2 : , ：FC-72为工质，研究了飞秒激光加工的微/纳复合结构表面的池沸腾换热性能。结果表LS30和LS70（3070分别表示微结构间距）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显的提高。HTC的提高主要归因于纳米多孔层汽化密度的增加以及表面积强化比的增面CHF91%FC-72的毛细芯吸发现，当微结构间距较大时，毛细芯吸作用CHFCHF提升的主导因素。（CHF近年来研究表明微/纳复合结构能通过增加表面的汽化密度[1]，改善润湿性[2]58%HTC强化效果，原因是纳米颗粒能增强表面润湿性，增加粗糙度和汽化数。Rahman等[3]通过对具有不同尺度、表面结构形貌本文用飞秒激光加工制作了具有不同微结构间距和不同微沟槽深度的微/纳复合结CHF的提升的影响。实验方法和测试装表面制造和表本文微/纳复合结构表面由飞秒激光加工技术而成为了研究不同微结构间距对800μm的微/（LS30LS70LS100LS200、LS80010W200μm但是微沟槽更深的表面（LS200-1为加工表面3-D共聚焦显微镜下的放大图。表1列出了从三维结构图获取的表面几何参数，表中p、Hp、r和φs分别代表微结构间距、微沟槽深度、表面积强化比和层覆盖，而对于LS100、LS200、LS200-2、LS400和LS800而言，纳米多孔层无法完全微沟槽深度为35-40μm，而对于LS200-2，其微沟槽深度为101μm，远大于其他六个表1r1测试表面三维图：(aLS30，(b)LS70，(c)LS100，(d)LS200，(e)LS200-2，(fLS400和LS800的2分纳米多孔层覆盖区域(a)和光滑区域(b)SEM实验系统和实验步FC-7256℃)的过冷度维持在接近饱和的状态（1表面由硅片（尺寸为长×宽×高10mm×10mm×0.5mm）加工而成两根铜导线通过超声0.3mmT型热为由高速机进行拍摄，拍照速度为1000帧/s，分辨率为512×1028。能，因此实验过程中工质除气处理。实验时以恒热流密度方式加热，当壁面温度急不确定度分

3UI的乘积算得，qh计算方法如下：qUA

h

12%实验结果及分微纳复合结构池沸腾换热性覆盖HTC有十分显著的提高CHF无明显提升。第二类表面LS100，LS200，LS200-2，LS400，LS800HTC和CHF均有明显提升。LS30和LS70的CHF17.818.3W/cm210%13%LS30LS70HTC3.965.87CHFHTC的提升主要可以归因为表面汽化密度的提高。从图2可以看出，纳米多孔层中大量的纳米级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 壁面过热度达到一定值时（本文为8K），大量的汽化可同时得到激活，造成换热步降低11可知，LAS30和LS70具有最高的纳米多孔层覆盖面积LS70LS30LS70在所有测试表面中具有最高的换热系数。4测试表面池沸腾换热性能对比：(a)(b)换热系数曲线2测试表面的换热性能总结LS200-对第二类表面而言，当加微沟槽深度一定p≥100μm时，表面CHFp的腾起始后至q=12W/cm2前均十分陡直，这是因为核态沸腾开始后大量的汽化被激1015W/cm2时，与LS30及逐渐减小，因此表面的汽化密度随着p的增大而降低，这一方面导致HTCmax随之从前文的分析可知，LS200在相同加工深度的表面中具有最高的CHF和较大的HTCmax200μm可以视为所研究表面中综合换热性能最好的表面。以此为基础本高CHF和HTCCHFHTCmax相比于光滑表面提高91%417%。这是因为相ACHF预测关联式：A

qKlhfgdV/

w

tdV/

AcΔH

t

t式中qCHF，qCHF,SS和ΔqCHF,wick分别为表面的临界热流密度，光滑表界热流密度和由于毛细芯吸作用导致的临界热流密度增量；AcAw分别代表毛细管内径和液体与表FC-72的毛细芯吸作用。图5展示了根据（4）算得CHF增量与实验CHF增量对比图。从图5对比发现p较小时，如LS30、LS70和LS100，ΔqCHF,wick与微/纳复合结构相对于光滑表大，且ΔqCHF,wick明显低于ΔqCHF，这就说明这种情况下毛细芯吸作用不是CHF增加的主2cos

D1

D 4 uave

l

lκμ分别为液体对毛细通道的渗透率和动力粘性系数，θ为接触角，g为重力加速度，D和uave分别为毛细通道特征长度和液体在毛细通道内的流速Carman-Kozeny渗透率关系式[11]κ只与通道几何尺寸有关。对于超亲水表面而言或高润湿性液体而结

微/纳复合结构表面能显著HTC和CHF，并且有效降低沸腾的起始温度。微结构间距对沸腾换热性能影响十分显著。对于小间距表面来说，如LS30和LS70，其CHF微沟槽的深度的增加可进一步强化微/纳复合结构表面的换热性能，相比于LS200，具有更深的微沟槽深度的表面LS200-2具备最高的CHF，相比于光滑表面提高了91%。HTC的提高主要归因于纳米多孔层汽化密度的增加以及表面积强化比的增加，LS70具有最大HTC，为光滑表面5.87倍。对CHF的提升有限，此时毛细抽吸作用并不CHF提升的主导因素。SudevDas,D.S.Kumar,SwapanBhaumik.Experimentalstudyofnucleatepoolboilingheattransferofwateronsiliconoxidenanoparticlecoatedcopperheatingsurface.AppliedThermalEngineering,2016,96:555--567.RenkunChen,Ming-ChangLu,VinodSrinivasan,etal.Nanowiresforenhancedboilingheattransfer.NanoLetters,2009,9(2):548--553.MdMahamudurRahman,EmreÖlçeroğlu,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