截面几何形状对微通道内表面气泡诱导的Marangoni增强传热的影响

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Effects of cross-sectional geometry on Marangoni-enhanced heat transfer induced by surface bubbles in microchannels

　　

摘要

本研究数值研究了具有椭圆、矩形和三角形横截面几何形状的微通道中，由表面气泡诱导的马朗格尼增强传热在不同宽高比（ξ）下的表现。系统地考察了通道几何形状和几何约束对传热增强的影响。结果表明，传热强烈依赖于横截面形状和ξ。对于椭圆形通道，最大努塞尔数出现在ξ = 1.5–2.0 之间，而在低ξ下由于热毛细对流的抑制而观察到明显的恶化。矩形通道在较宽的ξ范围内表现出中等但相对稳定的增强，而三角形通道在所有案例中显示出几乎不变的传热性能。马朗格尼诱导的传热增强在ξ = 1.5 的椭圆形通道中达到最大值，相对于无马朗格尼对流的情况，增强率约为 66.6%。矩形和三角形通道的增强率分别约为 40.5% 和 37.8%。流场分析揭示，增强机制由热毛细射流与强制对流之间的耦合控制，这受到通道几何形状和约束效应的强烈调节。总体而言，结果表明横截面几何形状和宽高比共同控制着马朗格尼驱动的界面传质的强度和稳定性，为微通道传热系统的优化提供了机理洞察和实际设计指导。

引言

马朗格尼效应是一种由温度 [1]、[2]、[3] 或浓度变化 [2]、[4] 引起的表面张力梯度驱动的现象，是增强微流控系统传热和传质的基本机制。在固 - 液界面存在气泡时，这种效应尤为明显 [5]、[6]。当暴露于温度场中时，附着在固 - 液界面的微气泡可触发热毛细对流（马朗格尼对流）[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。Larkin 的开创性工作 [7] 首次量化了静止气泡周围马朗格尼对流的局部传热贡献，并将热毛细效应与系统努塞尔数相关联，为传热增强提供了早期的定量基准。后续研究在此基础上进行了扩展，探讨了其在多种背景下的作用，如核态沸腾 [12]、[13]、[14]、不同重力条件 [15]、[16]、[17]、[18]、[19]、微重力下的力平衡分析 [20]、蒸发液滴中的马朗格尼对流 [21] 以及纳米流体 [22]、[23]。

关于表面附着气泡周围马朗格尼对流的研究可大致分为静止（静止）和强制流条件下的研究。在静止流体中，表面气泡周围的马朗格尼流已在核态沸腾和气泡动力学的背景下得到广泛研究 [24]、[25]、[26]、[27]。Petrovic 等人 [28] 实验研究了过冷核态池沸腾期间的马朗格尼对流，并表明随着表面热通量的增加，热毛细效应成为一种重要的传热机制。他们的测量还捕捉到了主导传递路径的转变：当核态沸腾的贡献超过马朗格尼对流时，传热随后由核态沸腾主导。Hetsroni 及其合著者 [29] 进一步实验研究了微观加热丝上的过冷沸腾，发现气泡周围产生的热毛细射流在增强传热方面发挥了重要作用。他们的工作还揭示，气 - 液界面处的表面活性剂吸附会通过产生与外部施加的热梯度相反的浓度梯度来抑制热毛细对流。此外，Christopher 等人 [30] 证明，静止气泡的传热增强区域相对有限，而移动的气泡可以将此效应扩展到更宽的尾流区域。气泡的运动和变形可以改变周围的流场 [31]，从而影响气泡周围的水动力学和传递特性。这些见解突出了气泡流动性和相关流结构在静止条件下调节马朗格尼诱导传热中的作用。

在强制流条件下，热毛细对流与主流体流动相互作用，热毛细效应与惯性效应之间的竞争可以显著改变流场和传热特性 [11]、[19]、[32]、[33]、[34]、[35]。Radulescu [34] 对层流微通道中气泡周围的热马朗格尼对流进行了三维数值模拟，并展示了气泡上方向上热毛细射流的形成。由此产生的传热增强强烈受到温度差和主体液体速度的影响，其中三维效应在气泡的侧面和 rear 区域尤为重要。O'Shaughnessy 和 Robinson [11] 考察了不同重力条件下热马朗格尼力和浮力对壁面附着气泡周围传热的共同影响。他们证明，浮力诱导的反向旋转涡旋可以改变热毛细流结构并减少气泡诱导传热增强的空间范围，而在无重力情况下总体传热更高。

基于这些发现，我们最近的研究 [36] 调查了强制流和热马朗格尼对流对微通道中壁面附着气泡周围传热的共同影响。最大传热增强出现在雷诺数介于 5 到 12 之间，而在Re = 200 和ΔT = 60 K 时，尽管强制对流占主导地位，仍保持 5.15% 的增强。此外，我们随后的研究 [37] 揭示，气泡形态和排列在调节热毛细流发展方面也起着重要作用。较小的接触角（15°–45°）、纵向气泡分布和适当的气泡间距有利于传热增强，在最佳配置下增强率高达 97.42%。这些发现为优化气泡辅助热管理系统提供了有价值的见解。

尽管取得了这些进展，通道几何约束对马朗格尼增强传热的影响仍未得到充分理解。先前的研究主要集中于气泡相关参数（如气泡尺寸、接触角和排列）和操作条件（如雷诺数和温度差），而通道横截面几何形状在调节热毛细射流发展及其与强制对流相互作用方面的作用受到的关注有限。微通道的横截面形状控制着速度和温度场的分布，从而影响马朗格尼流结构的发展。同时，由宽高比等参数表征的几何约束决定了热毛细射流的空间渗透及其与主流体流动的耦合。然而，通道几何形状、热毛细射流行为与传热增强之间的定量关系尚未得到系统建立。

为了解决这一知识空白，本研究调查了具有三种代表性横截面几何形状（椭圆、矩形和三角形）的微通道中，在不同宽高比下气泡诱导的马朗格尼增强传热。而非主要关注气泡相关参数或流动条件，本工作考察通道几何形状和几何约束如何调节热毛细射流发展及其与强制对流的相互作用。特别关注热毛细射流相对于通道质心的渗透行为，旨在建立一个用于评估几何依赖马朗格尼增强的通用物理指标。研究结果为通道约束在调节气泡诱导热毛细传质中的作用提供了新见解，并为微尺度热管理系统的设计提供了指导。

章节片段

模型与模拟设置

具有三种典型横截面形状的微通道模型如图 1 所示，包括椭圆形通道（图 1a）、矩形通道（图 1b）和三角形通道（图 1c）。采用一个壁面附着气泡，具有固定的接触半径R= 0.1 × 10^?3 m 和固定的气相接触角θ = 90°。气泡位于下壁面上，距离通道中心上游 0.5 × 10^?3 m 处。选择 90° 接触角是为了获得相对较大的

结果与讨论

图 2 量化了气泡触发的马朗格尼对流（Re=10，T_wall = 353.15 K）对具有三种不同横截面几何形状的微通道中平均努塞尔数（Nu_ave）的影响。对于每种几何形状，研究了具有不同宽高比ξ的六个案例。如图 2a 所示，椭圆形微通道的传热性能随着ξ的减小先增加后减小。在ξ = 1.5（案例 E2）时达到最大传热性能，

结论

本研究调查了具有椭圆、矩形和三角形横截面几何形状的微通道中，在不同宽高比（ξ）下气泡诱导的马朗格尼增强传热。结果表明，通道横截面几何形状和ξ均显著影响热毛细驱动流与强制对流之间的耦合，从而控制总体传热性能。发现传热增强表现出一种

CRediT 作者贡献声明

李东阳：写作 - 审阅与编辑，监督，项目管理，概念化。杜伟：形式分析。魏振林：写作 - 原稿，软件，调查，形式分析。上官卫东：写作 - 原稿，软件，调查，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文报告的工作。

致谢

我们感谢中国国家自然科学基金委（编号 11972150）；烟台大学人才研究基金；烟台大学研究生创新基金（GIFYTU）的财政支持。

上官卫东|魏振林|杜伟|李东阳

烟台大学机电与汽车工程学院，中国烟台 264005