UIUC李佳琦/Nenad Miljkovic：小气泡，大影响！Scien

2021-09-22 来源：能源学人

汽泡广泛存在于如两相流沸腾传热、曝气空化、微流控以及电解水制氢和二氧化碳催化还原等能源转换领域中。汽泡的产生，生长和脱离等动力学演化行为显著影响了系统的能量和质量输运。这其中沸腾传热作为利用汽泡生长吸收的汽化潜热进行热量传递的一种高效的传热方式，被广泛应用于空调系统热交换及高热流密度电子器件散热等领域。因此理解汽泡演化过程中的传热和传质现象，厘清汽泡演化和沸腾传热性能之间复杂的相关性，对于提升沸腾系统整体能量转换效率，保证系统设计和操作安全至关重要。然而，尽管技术的进步使我们加深了我们对于汽泡动力学的认识，但由于缺乏对汽液界面高倍率的原位观测手段，我们对于汽泡生长过程中三相接触线演化及液体补充机理的理解仍显不足。

【工作介绍】

鉴于此，美国伊利诺伊大学香槟校区机械系的李佳琦博士后（第一作者）和Nenad Miljkovic 教授（通讯作者）等人通过搭建高放大倍率的内窥镜系统对微纳结构表面沸腾过程中的汽泡演化过程进行高倍率的水下原位观测。研究发现，与传统认知中汽泡基底是干燥区域不同，汽泡在微纳结构表面上的生长初期，汽泡基底上存在一层完整的液膜。随着液膜的蒸发，基底处会出现两条明显分离的三相接触线。这一发现揭示了微纳结构调控汽泡演化的新机理，对于包括沸腾传热、微流控以及电化学反应等领域都有重要的意义。目前该成果以“Liquid film-induced critical heat flux enhancement on structured surfaces”为题发表在国际著名期刊Science Advances上。该工作得到浙江大学能源工程学院热工与动力系统研究所范利武研究员和南京航空航天大学机电学院房晓龙副教授的支持。

【核心图文】

图1：沸腾传热实验方法：（A-H）不同特征长度微纳结构的SEM和FIB图；（I）不同表面微纳结构厚度分布；（J）不同结构表面Cu 2p 的XPS 能谱；（K）不同结构表面含水能力分布；（L）沸腾传热实验台示意图及（M）实验系统观测的原始铜表面上汽泡图片。

图2：沸腾传热表征：不同结构表面的（A）沸腾传热曲线和（B）传热系数曲线；（C）不同结构表面的临界热流密度分布；（D）临界热流密度和结构含水能力关系趋势。

图3：汽泡及三相接触线的动态演化过程原位观测：原始铜表面汽泡演化的（A）侧面示意图和（B）顶部原位观测图片；结构表面上汽泡演化的（C）侧面示意图和（D）顶部原位观测图片；（E）汽泡生长过程中三相接触线的演化过程。

图4：汽泡基地微液膜蒸发过程表征：（A）汽泡演化过程中瞬时干燥区域面积；（B）临界热流密度和最大干燥区域面积关系；（C）不同表面上不同热流密度时的汽泡的脱离直径；（D-G）不同结构表面上最大干燥区域面积图片及对应时间。

图5：临界热流密度强化建模：（A）汽泡演化过程中基底示意图；（B）临界热流密度与表征结构滞留液体能力的无量纲参数Ret的关系趋势。

图6：复合倒金字塔结构表面池沸腾传热特性：（A, G）微纳结构表面芯吸距离和时间平方根的关系趋势；（B）临界热流密度和芯吸系数的关系趋势；（C）含水能力和芯吸系数的关系趋势；（D-F）复合倒金字塔结构表征；（H）复合倒金字塔结构表面的沸腾传热曲线；（I）临界热流密度和无量纲参数Ret的关系趋势。

【作者介绍】

李佳琦2019年3月博士毕业于浙江大学工程热物理专业，现为美国伊利诺伊大学香槟校区（UIUC）机械系博士后（2019年4月至今），主要从事包括两相流沸腾传热、电子器件散热、微液膜蒸发等方向的研究。目前以第一作者或通讯作者在包括Sci. Adv. (10.1126/sciadv.abg4537), Adv. Funct. Mater. (10.1002/adfm.202006249)和ACS Nano (10.1021/acsnano.9b06501)等国际期刊上发表论文十余篇。

Nenad Miljkovic 现为UIUC机械系副教授，UIUC空调与制冷中心副主任，能量输运研究实验室（Energy Transport Research Lab）负责人。主要从事包括相变传热、界面科学及太阳能等方向的研究。目前以第一作者或通讯作者在包括Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Funct. Mater.和ACS Nano等国际期刊上发表论文一百余篇。

范利武现为浙江大学能源工程学院百人计划研究员，浙江大学热工与动力系统研究所副所长。浙江省杰出青年科学基金获得者，入选浙江省“151人才工程”。主要从事能源转化、利用与存储过程中的复杂多尺度相变传热传质与流动现象研究。目前以第一作者/通讯作者发表论文八十余篇。

房晓龙现为南京航空航天大学机电学院副教授，入选中国科协青年人才托举工程，江苏省六大人才高峰计划。主要从事特种能场制造技术研究。目前以第一作者/通讯作者发表论文四十余篇。

J. Li, D. Kang, K. Fazle Rabbi, W. Fu, X. Yan, X. Fang, L. Fan, N. Miljkovic, Liquid film–induced critical heat flux enhancement on structured surfaces. Sci. Adv.7, eabg4537 (2021).

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