基于自适应网格加密和鬼影流体方法的微液层核态沸腾直接数值模拟研究及其在共轭传热中的应用

本研究针对核态沸腾中微液层动态与共轭传热的多尺度难题，开发了一种基于几何VOF框架的相变模型，结合自适应网格加密（AMR）和鬼影流体方法（GFM），成功实现了对MIT实验的精确复现。该模型将计算成本降低了三个数量级，首次完成了从成核到脱落的完整气泡周期模拟，揭示了接触角通过流体动力学效应（非热效应）主导气泡生长机制，为高效沸腾换热设备设计提供了关键理论支撑。

　　

在能源与热管理领域，核态沸腾因其极高的传热效率备受关注，尤其在高功率电子冷却、核反应堆和安全航天热控子系统中扮演着关键角色。沸腾过程中，气泡与加热壁面之间会形成仅数微米厚却延伸数毫米的微液层，该薄层虽小，却贡献了整体传热的相当部分，并通过干斑扩展直接影响临界热流密度（CHF）——即核态沸腾所能达到的最大热通量。尽管激光干涉仪等先进技术已用于微液层研究，但实验手段仍存在局限：接触点附近因界面斜率超限导致条纹丢失引入系统误差，实验参数范围受现实条件约束，测量不确定性也需谨慎评估。

相比之下，数值模拟具有改变操作条件的灵活性，并能提供全面的物理信息。随着高性能计算发展，直接数值模拟（DNS）已成为研究核态沸腾的强大工具。然而，微液层区域的多尺度特性使DNS面临巨大挑战：捕获整个气泡需毫米级域，显式解析微液层又要求亚微米网格。虽有多尺度模型尝试解决，但应用于流动沸腾（涉及气泡滑移和合并）并不直接。而一旦DNS代码验证成功，便可适用于多种场景。近年来，虽有不少研究通过DNS探索微液层水动力学或热效应，但共轭传热（流体与固体间的耦合传热）常被忽略，且计算成本极高——此前最精细模拟需336核约40万CPU小时才推进到0.5毫秒物理时间，而完整气泡周期通常达10毫秒量级，导致该尺度模拟从未实现。

为此，研究人员在开源软件Basilisk中，扩展了基于几何流体体积（VOF）的相变模型，首次成功模拟了含解析微液层和共轭传热的核态沸腾全过程。该工作同步求解流体和固体域中的热传导，并施加界面热传递阻力（IHTR）。通过采用自适应网格加密（AMR）大幅提升计算效率，但AMR所需的近似投影法会因强烈传热传质在微液层内引发剧烈振荡。研究团队引入鬼影流体方法（GFM）成功抑制该问题，不仅复现了实验，还将计算成本降低了三个数量级，同时显著增强稳定性。

关键技术方法包括：在Basilisk中采用四/八叉树AMR框架，通过GFM处理速度跳跃条件消除奇点，使用分段线性界面构造（PLIC）的几何VOF方法捕获气液界面，并嵌入式边界法计算界面温度梯度；固体域热传导通过有限体积法隐式求解，流体-固体边界热耦合考虑接触热阻（等效IHTR）；针对MIT实验（水、大气压）设置，采用2D轴对称域，壁面热通量425 kW m^-2，接触角5°（静态），通过Schrage模型计算相变质量流， accommodation系数ω取0.0345和0.0460两案例；完整周期模拟还引入接触角滞后模型（后退角5°，前进角55°）。

研究结果揭示：

气泡生长特性：模拟与MIT实验数据及文献结果吻合良好。网格收敛性验证显示，GFM有效消除近似投影法所致振荡，获得物理真实的微液层动态。接触角影响分析表明，其通过改变微液层内流体动力学行为（非热效应）主导气泡生长；接触角增大会增强接触线迁移率，反而减慢气泡生长，但总平均质量通量近乎恒定；且随角度减小，气泡动力学对接触角的敏感性减弱。

微液层剖面与热力学特性：微液层轮廓呈现阶梯状（网格分辨率所致数值伪影），但其演化与文献一致。表面过热度分布显示，微液层外缘温度最高而非气泡侧缘；热通量分布在接触线处达峰值，远高于电功率输入，凸显共轭传热在池沸腾中的重要性。分区（微液层区、气泡鼻前区、顶端区）蒸发分析表明，不同接触角下各区平均质量通量高度一致，蒸发速率差异主要源于积分面积变化，证实热效应相似而水动力学效应主导。

完整气泡周期模拟：首次实现成核至脱落的全程DNS（达18 ms）。比较ω=0.0345、ω=1.0（完美蒸发）案例发现，后者因更低IHTR带来更高蒸发速率，与实验符合更好；但前者在早期壁面过热度预测更准。偏差可能源于轴对称配置对矩形加热器的几何简化导致能量输入偏低。脱落阶段接触角固定为55°，而实验观测动态变化，提示需更先进动态接触角模型。微液层耗尽过程可视化显示，接触线移动和蒸发共同驱动干涸，伴随寄生电流和毛细波。

研究结论强调，该模型通过GFM和AMR的成功整合，实现了高效精确的核态沸腾DNS，计算成本降低三数量级。接触角影响主要由流体动力学效应介导，微液层热传递受其面积变化调制而非热通量本身。完整周期模拟揭示了长期行为对accommodation系数和动态接触角模型的敏感性，此前因计算限制未被察觉。该工作为沸腾换热高保真模拟提供了强大工具，未来扩展可包括更先进IHTR模型、动态接触角模型及三维模拟以考察加热器几何累积效应。