力学所等微重力沸腾传热强化研究获进展

　　沸腾传热因其高传热能力在地面和空间科技实践中有着巨大的应用价值。沸腾现象中具有极为复杂的多尺度耦合、多相相互作用和非平衡等特性，存在众多的影响因素，如成核、气泡生长、加热面附近固﹣液﹣气相互作用、气﹣液界面上的蒸发/凝结及使蒸气和热流体远离加热面的输运等。由于气、液两相介质一般存在极大的密度差异，在地面常重力环境中，浮力及其驱动的蒸气和热流体远离加热面的输运过程往往起着主导作用；而在微重力环境下，重力被大大削弱甚至完全消失，在地面环境被重力所掩盖的、和界面相关联的液﹣气相变与传热过程被凸显出来，一方面导致了微重力沸腾现象与常重力时的迥异，另一方面更有利于揭示沸腾现象的内在机制，促进沸腾传热理论的发展。航天技术的发展，大功率、高集成度设备的研制日益受到重视，也因此使得微重力沸腾传热研究成为流体力学、传热学和微重力科学等交叉研究的前沿。

　　近年来，中国科学院力学研究所微重力多相热流体动力学研究团队，利用我国返回式卫星搭载实验（2005、2006）、力学所百米落塔短时微重力实验（2004、2009）及地面常重力实验，在国内率先完成了一系列不同重力条件下的池沸腾实验，获得了一大批不同重力条件下池沸腾现象中的气泡热动力学行为特征与传热特性数据，包括了相当广泛的工况条件，如：R113、FC-72和丙酮等实验工质，饱和（液体温度等于系统压力对应的饱和温度）和过冷（液体温度低于饱和温度）实验状态，控制加热功率/温度的稳态和控制加热功率的准稳态加热方式，丝状表面和光滑平面，等等。实验发现光滑平面上沸腾传热效率在微重力条件下明显低于常重力时的结果，但丝状加热表面在微重力条件下传热效率反而略有增加。结合所观测到的气泡热动力学行为特征，指出了加热表面上生长气泡底部的液体供应对沸腾传热特性具有重要的影响。

　　基于上述研究结果，赵建福研究员与西安交通大学合作，利用力学所百米落塔对方柱微结构表面池沸腾传热进行了短时微重力实验研究（2009-2013）及地面常重力对比实验研究，证实了加热表面上的微型方柱之间构成的多连通的微细通道可以在毛细力的作用下，能有效地将生长气泡周围的液体工质传输到气泡底部，从而维持高效的核态池沸腾模式。实验发现，在微重力条件下气泡失去浮力作用后，会在加热表面附近聚合形成很大的气团，但即使在聚合气团完全覆盖整个加热面时，传热性能仍能保证基本不变，方柱微结构表面池沸腾传热呈现出重力无关的特性。该结果标明基于表面设计的沸腾传热强化技术，具有重要的应用前景。空间长期微重力环境的实验研究也已列入相关空间计划，以深入研究表面微结构特性参数对微重力沸腾传热强化效果的影响。

　　该研究工作得到了国家自然科学基金、微重力重点实验室开放课题等的资助，部分研究结果已发表于《应用热工程》（Zhang Y, Wei J, Xue Y, Kong X, Zhao J. Appl. Therm. Eng., 2014, 70: 172-182）、《国际传热传质杂志》（Xue Y, Zhao J, Wei J, Zhang Y, Qi B. Int. J. Heat Mass Transfer, 2013, 63: 425-433）、《国际多相流杂志》（Zhao JF. Int. J. Multiphase Flow, 2010, 36(2): 135-143）、《中国物理快报》（Wei J, Xue Y, Zhao J, Li J. Chin. Phy. Lett., 2011, 28(1): 016401）及《微重力科学与技术》（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）等学术期刊上。