通过微柱表面形貌和混合润湿性增强冷凝传热

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Enhancement of condensation heat transfer by micropillar surface topography and hybrid wettability

　　冷凝强化是闭环两相热管理系统冷凝器散热效率的关键决定因素。微柱几何形状与润湿性分布对冷凝液输运的耦合作用仍不清楚。本文数值研究了三角形、四边形和六边形微柱阵列在亲水、超疏水和混合润湿条件下的冷凝过程。结果表明，亲水表面促进冷凝液快速积聚，但存在液泛引起的热阻；超疏水表面促进液滴聚并与弹跳，但限制了早期液体形成。对于混合润湿表面（亲水柱顶结合超疏水基底），润湿性梯度驱动的垂直迁移机制将冷凝液输送到柱顶，抑制液泛并维持悬浮液滴生长。在这些构型中，三角形混合微柱阵列表现出最佳性能，在当前过冷条件下实现了最高峰值热流密度1283 kW/m2和最高液体体积增长率。与相应的超疏水表面相比，混合润湿使峰值热流密度提高了25.6%–41.7%。这些发现阐明了微柱形貌和润湿性分布如何共同调控冷凝液输运和强化传热。

引言

随着航空航天工程和现代微电子技术的快速发展，高功率密度器件的热管理已成为关键挑战[1]，[2]。在下一代微芯片[3]，[4]，[5]和航天器热控系统[6]，[7]等应用中，电子元件产生的热流密度持续增加，往往超出传统单相冷却方法的能力[8]，[9]。因此，开发具有超高传热系数的先进热管理技术已成为迫切的研究需求。相变传热因其可以通过潜热传递大量热能而被广泛应用[10]。在实际应用中，这种冷凝强化主要与闭环两相热管理系统（如蒸气压缩回路、环路热管、热虹吸管和均热板）的冷凝器侧相关，其中蒸发或沸腾在热源处移除热量，而冷凝在下游排出热量。因此，本工作聚焦于冷凝器侧的热排放强化。冷凝通常有两种模式：膜状冷凝（FWC）和滴状冷凝（DWC）[11]。众所周知，DWC的传热系数比FWC高5–9倍[12]，[13]。因此，促进稳定的DWC被认为是提高两相热控系统效率的关键策略。

近年来，经过微/纳米结构修饰的超疏水表面已被广泛研究以促进高效DWC[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。Zhang等人[19]利用具有均匀润湿性的柱阵列对冷凝液形成进行空间调控并促进液滴快速脱离，与平坦超疏水表面相比热流密度提高了174%。Wang等人[20]研究了微柱间距和过冷度对冷凝动力学的影响，证明传热系数与微柱间距呈负相关。此外，他们发现在高过冷度下基底虽发生液泛，但优化后的微柱阵列仍可比平坦纳米结构表面高26.4%。这些表面利用聚并诱导的液滴弹跳机制加速表面更新。然而，超疏水表面有限的初始冷凝液形成可能限制整体液体增长率。必须同时保持高成核密度和快速表面更新频率才能获得最佳冷凝性能。Wen等人[21]使用纳米线阵列对液滴成核和脱离进行空间调控，弹跳液滴冷凝的临界热流密度提高了37%，适用过冷度范围扩大了133%。Sun等人[22]开发了分级微纳结构超疏水表面以实现连续多次弹跳，并报告平均成核率比无分级微纳结构的表面提高303%。然而，在大过冷度下，纳米结构空隙内纳米液滴的过度液体积聚常引发从Cassie-Baxter态到Wenzel态的不可逆转变。这种润湿转变显著恶化传热效率[17]。

除了通过微/纳米结构增强早期冷凝液形成和表面更新外，调控表面润湿性也为引导冷凝液分布提供了有效策略。因此，混合润湿表面是一种有前景的解决方案。亲水区域可以促进液体从疏水背景中收集和输运；据此，已提出了集成亲水和疏水区域的功能表面。Lee等人[23]提出了双亲图案化表面，揭示了交替超亲水和疏水区域之间的表面能差异产生驱动力。该力使疏水区域上的离散液滴被快速吸收到超亲水轨道上的液膜中，从而实现高效的冷凝液脱离。Mahapatra等人[24]证明了混合润湿表面的稳健性，报告即使在通常阻碍能量输运的不凝性气体存在下，图案化金属表面上的传热改善仍超过30%。为进一步增强液滴迁移性和传热性能，近期研究已从研究平坦润湿图案发展到将混合润湿与三维微柱结构集成。理想情况下，这种组合协同了超疏水微结构的高表面更新速率与亲水区域的低成核势垒。Ke等人[25]模拟了具有润湿图案的微结构表面上的冷凝过程，观察到传热性能比超疏水案例提高28%。Tian等人[26]提出了具有两级润湿梯度的分段圆柱微柱阵列。这种优化设计在测试几何形状中表现最佳，相对于参考结构面积平均热流密度提高了70.6%。Li等人[27]表明最优几何形状强烈依赖于壁面润湿性；例如，在混合润湿构型中，三角形沟槽在亲水沟槽和疏水桥接情况下表现最佳，而梯形沟槽在反向布置时更优。这些研究表明表面几何形状和润湿性分布之间存在复杂耦合。

尽管取得了这些进展，大多数现有研究集中于在固定阵列构型内修改表面润湿性，而表面形貌和润湿性对冷凝液动力学和传热的联合效应仍了解不足。几何特征如角和间隙空隙可影响早期冷凝液积聚、接触线保持、液滴聚并和脱离。然而，这些几何因素如何影响混合润湿表面的机制仍未被充分探索。本研究在具有三角形、四边形和六边形微柱规则阵列的表面上，在不同润湿性条件下研究冷凝。采用带相变的瞬态三维多相流模型模拟这些微结构表面上的冷凝。系统分析冷凝过程中的传热性能和液滴动力学。通过阐明表面形貌和润湿性的耦合效应，本工作旨在为高效微结构冷凝表面的设计提供理论指导。

问题描述

冷凝是一种复杂的相变现象，其特征是由体积力、表面力和界面质量传递控制的汽液界面演化。如图1所示，研究了三种规则晶格排列：三角形、四边形和六边形阵列。在每种情况下，相应几何形状的微柱以周期性晶格分布。相邻单元的中心到中心距离（L）固定为100 μm，微柱

亲水表面

图4和图5分别展示了亲水表面上三种不同柱阵列构型的冷凝过程演化和相应的热流密度等值线。在初始阶段（t = 4.9 ms），液相首先出现在微柱边缘和柱侧壁与基底相交处附近。这种趋势归因于局部几何约束和增强的界面曲率

结论

本研究通过数值模拟研究了微柱表面形貌和润湿性对冷凝传热的协同效应。主要结论如下：

（1）在亲水表面上，冷凝主要以膜状模式发生。液膜快速增厚增加热阻并限制传热性能。六边形阵列达到最高峰值热流密度933.53 kW/m2（t = 10.97 ms），略优于

符号表

L 相邻单元中心到中心距离（m）
H 柱高（m）
s0 微柱投影面积（m2）
s 单元胞总面积（m2）
a 固相分数
θ 接触角（°）
t 时间（s）
u 速度（m/s）
S 源项（kg/(s·m3)）
p 压力（Pa）
g 重力（m/s2）
I 单位矩阵
F 体积力源项（N/m3）
k 热导率（W/(m·K)）
→?? 单位法向量
→?? 单位切向量
hfg 潜热（J/kg）
E 比能（J/kg）
coeff 蒸发-冷凝系数（s?1）
T 温度（K）
V 体积（mm3）
•??

CRediT 作者贡献声明

Nan Zhou：写作–初稿，可视化，方法学，资金获取，数据管理，概念化。Shuai Guo：可视化，验证。Xin Wang：写作–审阅与编辑，概念化。Junyan Shen：可视化。Zhenqian Chen：监督，调查，资金获取。Chenglei Wang：写作–审阅与编辑，监督，调查。Hui Tang：写作–审阅与编辑，监督。Bo Xu：写作–审阅与编辑，监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不知道可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（No. 52376049）、江苏省科技发展专项资金（No. BZ2024063）、东南大学大数据中心和东南大学基础与交叉科学中心为本论文数值计算提供的设施支持。

Nan Zhou|Shuai Guo|Xin Wang|Junyan Shen|Zhenqian Chen|Chenglei Wang|Hui Tang|Bo Xu