力學所等微重力沸騰傳熱強化研究獲進展

　　沸騰傳熱因其高傳熱能力在地面和空間科技實踐中有著巨大的應用價值。沸騰現象中具有極為復雜的多尺度耦合、多相相互作用和非平衡等特性，存在眾多的影響因素，如成核、氣泡生長、加熱面附近固﹣液﹣氣相互作用、氣﹣液界面上的蒸發/凝結及使蒸氣和熱流體遠離加熱面的輸運等。由于氣、液兩相介質一般存在極大的密度差異，在地面常重力環境中，浮力及其驅動的蒸氣和熱流體遠離加熱面的輸運過程往往起著主導作用；而在微重力環境下，重力被大大削弱甚至完全消失，在地面環境被重力所掩蓋的、和界面相關聯的液﹣氣相變與傳熱過程被凸顯出來，一方面導致了微重力沸騰現象與常重力時的迥異，另一方面更有利于揭示沸騰現象的內在機制，促進沸騰傳熱理論的發展。航天技術的發展，大功率、高集成度設備的研制日益受到重視，也因此使得微重力沸騰傳熱研究成為流體力學、傳熱學和微重力科學等交叉研究的前沿。

　　近年來，中國科學院力學研究所微重力多相熱流體動力學研究團隊，利用我國返回式衛星搭載實驗（2005、2006）、力學所百米落塔短時微重力實驗（2004、2009）及地面常重力實驗，在國內率先完成了一系列不同重力條件下的池沸騰實驗，獲得了一大批不同重力條件下池沸騰現象中的氣泡熱動力學行為特征與傳熱特性數據，包括了相當廣泛的工況條件，如：R113、FC-72和丙酮等實驗工質，飽和（液體溫度等于系統壓力對應的飽和溫度）和過冷（液體溫度低于飽和溫度）實驗狀態，控制加熱功率/溫度的穩態和控制加熱功率的準穩態加熱方式，絲狀表面和光滑平面，等等。實驗發現光滑平面上沸騰傳熱效率在微重力條件下明顯低于常重力時的結果，但絲狀加熱表面在微重力條件下傳熱效率反而略有增加。結合所觀測到的氣泡熱動力學行為特征，指出了加熱表面上生長氣泡底部的液體供應對沸騰傳熱特性具有重要的影響。

　　基于上述研究結果，趙建福研究員與西安交通大學合作，利用力學所百米落塔對方柱微結構表面池沸騰傳熱進行了短時微重力實驗研究（2009-2013）及地面常重力對比實驗研究，證實了加熱表面上的微型方柱之間構成的多連通的微細通道可以在毛細力的作用下，能有效地將生長氣泡周圍的液體工質傳輸到氣泡底部，從而維持高效的核態池沸騰模式。實驗發現，在微重力條件下氣泡失去浮力作用后，會在加熱表面附近聚合形成很大的氣團，但即使在聚合氣團完全覆蓋整個加熱面時，傳熱性能仍能保證基本不變，方柱微結構表面池沸騰傳熱呈現出重力無關的特性。該結果標明基于表面設計的沸騰傳熱強化技術，具有重要的應用前景。空間長期微重力環境的實驗研究也已列入相關空間計劃，以深入研究表面微結構特性參數對微重力沸騰傳熱強化效果的影響。

　　該研究工作得到了國家自然科學基金、微重力重點實驗室開放課題等的資助，部分研究結果已發表于《應用熱工程》（Zhang Y, Wei J, Xue Y, Kong X, Zhao J. Appl. Therm. Eng., 2014, 70: 172-182）、《國際傳熱傳質雜志》（Xue Y, Zhao J, Wei J, Zhang Y, Qi B. Int. J. Heat Mass Transfer, 2013, 63: 425-433）、《國際多相流雜志》（Zhao JF. Int. J. Multiphase Flow, 2010, 36(2): 135-143）、《中國物理快報》（Wei J, Xue Y, Zhao J, Li J. Chin. Phy. Lett., 2011, 28(1): 016401）及《微重力科學與技術》（Xue Y, Zhao J, Wei J, Li J, Guo D, Wan S. Microgravity Sci. Tech., 2011, 23(S1): S75-S85. Wei J, Zhao J, Yuan M, Xue Y. Microgravity Sci. Tech., 2009, 21(S1): S159 – S173）等學術期刊上。