本研究由印度理工学院布巴内斯瓦尔分校（IIT Bhubaneswar）的Niloy Laskar、Asmita Bhaumik、Sali Snigdha和Mihir K. Das团队完成，发表于《International Journal of Multiphase Flow》。研究聚焦于工程化表面（engineered surfaces）与流体热物理性质（thermophysical properties）对池沸腾传热（pool boiling heat transfer, PBHT）和气泡动力学（bubble dynamics）的耦合影响，旨在为下一代高效换热器设计提供理论依据。

学术背景

池沸腾传热因其高潜热传递能力被广泛应用于发电、制冷和电子器件冷却等领域。然而，传统光滑表面（如不锈钢管）在高热流密度下性能受限，亟需通过表面工程（surface engineering）提升传热系数（heat transfer coefficient, HTC）并延迟临界热流密度（critical heat flux, CHF）。以往研究多集中于单一流体或平板表面，忽略了不同流体在相同表面上的气泡动力学差异，尤其是管状几何结构（如蒸发器/冷凝器）的针对性研究不足。因此，本研究首次系统探究了表面形貌（surface morphology）与多种流体（蒸馏水、丙酮、异丙醇）的协同作用机制。

研究方法与流程

研究分为四个关键步骤：

1. 表面制备与表征

   • 研究对象：四种不锈钢管表面——裸管（bare tube）、铜涂层管（copper-coated）、类金刚石碳涂层管（DLC-coated）和微结构管（microstructure tube）。
     
   • 制备方法：微结构管通过变形切割技术（deformational cutting）加工；铜涂层采用等离子喷涂（plasma spraying）；DLC涂层通过物理气相沉积（physical vapor deposition）实现。
     
   • 表征技术：扫描电子显微镜（SEM）和光学成像定量分析表面粗糙度、孔隙分布及形貌特征（图4）。结果显示，微结构管具有周期性隧道状空腔（tunnel-like cavities），铜涂层呈多孔结构，DLC涂层则呈现纳米级凹凸纹理。
     

2. 实验系统与流体选择

   • 实验装置：设计矩形沸腾容器（图2），配备高速摄像机（2000 fps）和显微镜镜头，量化气泡脱离直径（departure diameter, (d_b)）、频率（frequency, (f_b)）和成核位点密度（nucleation site density, NSD）。
     
   • 测试流体：基于热物理性质差异（表1），选择蒸馏水（高表面张力、高潜热）、丙酮（低沸点、低粘度）和异丙醇（中等性质）。通过雷达图（图3）对比其归一化参数，突出流体特性对沸腾的潜在影响。
     

3. 沸腾实验与数据采集

   • 加热策略：采用嵌入式筒式加热器（1.5 kW），热流密度（heat flux, (q”)）范围5–85 kW/m²。
     
   • 温度测量：8支T型热电偶嵌入管壁，通过径向导热修正公式（式3）计算实际表面温度。
     
   • 气泡动力学分析：ImageJ软件处理高速影像，提取(d_b)、(f_b)及NSD。实验重复性经三天验证，不确定性分析（表2）表明HTE误差低于8.1%。
     

4. 数据建模与验证

   • 传热系数计算：基于Clausius-Clapeyron方程（式8）关联壁面过热度（wall superheat, (\Delta T_{sat})）与临界气泡半径（critical radius, (r_c)）。
     
   • 文献对比：与Das（2005）和Le Ba（2022）的铜管数据趋势一致（图5），但因不锈钢导热性差异存在绝对值偏差。
     

主要结果

1. 表面形貌对气泡动力学的调控

   • 微结构管表现最优：与裸管相比，(d_b)减小61%，(f_b)提升252%，NSD增加77%（图9-10）。其隧道状空腔通过毛细吸液（capillary-driven suction）和隧道蒸发（tunnel evaporation）机制（图6a）促进气泡快速脱离。
     
   • 铜涂层管因多孔结构（图6b）使(d_b)减小49%，而DLC涂层因疏水性（hydrophobicity）仅适度提升性能（图6c）。
     

2. 流体特性的关键作用

   • 核沸腾起始（ONB）：异丙醇因低表面张力（21.7 mN/m）最早触发ONB（(\Delta T_{sat})比水低18%），但水因高潜热（2257 kJ/kg）在相同热流下需更高过热度（图7a）。
     
   • 传热效率：尽管水的NSD最低（图11），其高导热性（0.679 W/m·K）和高潜热使其HTE最高（图7c）。微结构表面使水、丙酮和异丙醇的HTE分别提升96%、134%和161%（图15b）。
     

3. 表面-流体协同效应

   • 高速影像（图12,14）显示，微结构表面在水中的气泡分布均匀且密集，而有机流体（如异丙醇）因低粘度产生更多小气泡，但单气泡携热能力较低。
     

结论与价值

1. 科学价值：揭示了表面形貌与流体热物理性质的耦合机制，提出“毛细吸液-隧道蒸发”协同模型，填补了多流体管状表面沸腾动力学研究的空白。
   
2. 应用价值：微结构表面与高潜热流体（如水）组合可最大化换热器性能，为电子冷却、核反应堆等高温差场景提供优化方案。
   

研究亮点

• 方法创新：首次在管状表面实现多流体气泡动力学定量对比，开发了基于SEM形貌关联的沸腾机理模型。
  
• 发现创新：明确高潜热流体可通过补偿低NSD实现最优HTE，颠覆了传统“高NSD必高效”的认知。
  
• 工程意义：微结构表面96–161%的HTE提升幅度为工业换热器设计提供了直接参考。
  

其他价值

附录中提供的热物性数据（表1）和不确定性分析（表2）为后续研究建立了可靠基准。声明无利益冲突（Declaration of Interests）增强了结果的可信度。