1.高速攝像儀在材料中的應(yīng)用

　　單晶硅是一種活潑的非金屬元素晶體，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電、供熱、能源存儲(chǔ)等。新材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，促使其向著極高效可用的趨勢(shì)發(fā)展。故對(duì)不同結(jié)構(gòu)的單晶硅表面池沸騰相變傳熱性能研究具有非常重要意義。

　　華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)，利用千眼狼高速攝影測(cè)量分析技術(shù)對(duì)光滑、微坑、均勻微柱和槽型微柱四種不同單晶硅表面的沸騰現(xiàn)象進(jìn)行了在線可視觀測(cè)試驗(yàn)，獲得了各表面氣泡動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程及局部溫度演變規(guī)律，揭露了基于動(dòng)力學(xué)過(guò)程的沸騰強(qiáng)化機(jī)理。

　　2.可視池沸騰實(shí)驗(yàn)與可視化分析

　　科研人員設(shè)計(jì)搭建由方形沸騰池、溫控加熱系統(tǒng)、高速攝像及紅外熱成像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可同時(shí)觀測(cè)沸騰動(dòng)力學(xué)過(guò)程和溫度演變過(guò)程的可視化池沸騰，并利用涂覆導(dǎo)電膜的單晶硅作為沸騰基底表面，依次對(duì)光滑、微坑、微柱、槽型微柱四種試樣進(jìn)行試驗(yàn)(更多詳情請(qǐng)見(jiàn)《化工學(xué)報(bào)》2019年第70卷第4期)。

　　圖1 池沸騰實(shí)驗(yàn)臺(tái)

　　實(shí)驗(yàn)采用千眼狼高速攝像儀及紅外熱成像儀同步采集系統(tǒng)以從側(cè)壁進(jìn)行高速圖像采集，以2320×1720的全高清分辨率，對(duì)不同結(jié)構(gòu)單晶硅表面的核態(tài)沸騰過(guò)程中氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程及氣泡演變過(guò)程中局部溫度變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。

　　1/2.氣泡動(dòng)力學(xué)規(guī)律分析

　　圖2 氣泡動(dòng)力學(xué)參數(shù)與有效熱通量的關(guān)系曲線

　　通過(guò)圖2可知，光滑表面在沸騰初期核化密度較穩(wěn)定，熱通量q″從沸騰起始點(diǎn)(59kW/ m2)到108.5kW/m2范圍內(nèi)，脫離直徑隨有效熱通量增大而增大并達(dá)到極大值;繼續(xù)增大有效熱通量，脫離直徑開(kāi)始減小直至2.1mm左右趨于穩(wěn)定。對(duì)于氣泡脫離時(shí)間而言，隨著有效熱通量增加脫離時(shí)間呈單調(diào)減小趨勢(shì)。

　　圖3 不同表面上沸騰氣泡高速圖片

　　如圖3可知，微坑表面為孤立氣泡的核化提供了穩(wěn)定的核化中心，沸騰氣泡更易生成;同時(shí)其臨界脫離直徑較穩(wěn)定，隨有效熱通量變化在 2.15～2.4mm區(qū)域內(nèi)變化;而氣泡脫離時(shí)間隨有效熱通量增大而縮短，且短于同有效熱通量下的光滑表面的脫離時(shí)間，即實(shí)驗(yàn)中微坑結(jié)構(gòu)不僅強(qiáng)化氣泡的核化，同時(shí)也強(qiáng)化了氣泡脫離。

　　微柱表面，熱通量(q″=35kW/m2)下即可觀察到氣化核心的產(chǎn)生;且受微結(jié)構(gòu)的影響，微柱陣列提供了氣泡核化中心，同時(shí)氣泡生長(zhǎng)引起微柱間隙的液體的微流動(dòng)促進(jìn)了氣泡的脫離，使得表面氣泡未發(fā)生合并即脫離，脫離時(shí)間縮短至幾毫秒。

　　槽型微柱表面，熱通量下(q″=40 kW/m2)氣泡優(yōu)先在槽道內(nèi)成核生長(zhǎng)，且其脫離直徑較大;隨著有效熱通量的增大槽道和微柱間隙的氣泡都逐漸長(zhǎng)大，且易發(fā)生氣泡合并形成較大氣泡。

　　2/2.局部溫度演變規(guī)律分析

　　試驗(yàn)采用高速攝像儀及紅外熱成像儀同步采集系統(tǒng)，觀察四種試樣表面單個(gè)孤立氣泡生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程壁面溫度場(chǎng)演化規(guī)律。

　　圖4 光滑表面單個(gè)氣泡在周期內(nèi)的溫度演變規(guī)律

　　如圖4可知，光滑表面q″=89KW/m2時(shí)汽化核心處先形成一個(gè)氣泡雛形，隨相變的進(jìn)行氣液交界面外擴(kuò)，氣泡逐漸長(zhǎng)大，同時(shí)氣泡中心由于相變帶走熱量溫度降低。q″=130KW/m2時(shí)，核化氣泡迅速增大到最大氣泡直徑，且底部薄液膜消失，在氣泡中心形成干燒區(qū)，且單氣泡周期明顯減小。

　　圖5 微結(jié)構(gòu)表面沸騰氣泡形成脫離過(guò)程

　　如圖5可知，300μm微坑表面在過(guò)熱度較高的微坑處氣泡初始核化，但受有限表面在界面處的溫度梯度以及界面附近的Maragoni微對(duì)流的影響，氣泡會(huì)出現(xiàn)從微坑向邊界移動(dòng)的滑移現(xiàn)象，促進(jìn)了上一代氣泡的快速脫離，從而增大了氣泡的脫離頻率。

　　微柱表面生成氣泡時(shí)，當(dāng)t值不斷增加時(shí)，微柱間隙內(nèi)的微小核化點(diǎn)密集的區(qū)域上的氣泡不斷長(zhǎng)大并合并成為大氣泡;當(dāng)t=14ms時(shí)該氣泡脫離壁面，此脫離過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)僅為10ms數(shù)量級(jí)。在整個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，微柱的存在大大提高了壁面的溫度均勻性,抑制了由          于氣泡干斑區(qū)內(nèi)溫度過(guò)高換熱不良而造成的沸騰惡化，因此微柱的存在可以有效地提高臨界有效熱通量。

　　槽型微柱表面氣泡的吸納合并作用發(fā)生在氣泡生成極短的時(shí)間內(nèi)，槽內(nèi)氣泡來(lái)不及長(zhǎng)大即被快速側(cè)吸到微柱區(qū)與大氣泡合并脫離;壁面溫度的均勻性也相應(yīng)提高。但槽道的寬度對(duì)壁面溫度的均勻性存在影響，寬度加大可以造成中間氣泡無(wú)法被 側(cè)吸，引起局部過(guò)熱。

　　3.結(jié)論

　　試驗(yàn)結(jié)果表明單晶硅表面微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著降低了核化沸騰的起始過(guò)熱度，利用微結(jié)構(gòu)對(duì)槽道內(nèi)氣泡的側(cè)吸作用，可控制氣泡的快速匯聚、脫離以及沸騰氣泡的空間分布位置。通過(guò)高速攝像儀對(duì)采集的氣泡運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析，可掌握單晶硅表面微結(jié)構(gòu)氣泡動(dòng)力學(xué)過(guò)程各階段換熱機(jī)理，可優(yōu)化單晶硅局部微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為為新型材料研究帶來(lái)更可靠的應(yīng)用價(jià)值。