波纹微通道中流动沸腾气泡生长的相场数值研究

《Heat Transfer》：Phase-Field Numerical Investigation of Bubble Growth During Flow Boiling in a Corrugated Microchannel

　　

# 摘要

波纹微通道中的流动沸腾因波纹壁面所增加的热交换面积及增强的界面输运作用，在高热流密度热管理领域展现出巨大潜力。本研究采用相场模型，对波纹微通道中水的流动沸腾过程进行了数值模拟，系统考察了气泡生长、蒸汽塞演化及热力水力性能。研究考察了三种工况条件：壁面温度分别为378.15 K、381.15 K和383.15 K；接触角分别为30°、40°和60°；入口流速分别为0.073 m/s、0.146 m/s和0.290 m/s；表面张力系数分别为0.0400 N/m、0.0500 N/m和0.0589 N/m。研究对界面动力学、温度场、体积质量传递速率、压降、传热系数、努塞尔数及热性能因子等进行了系统评估。结果表明，蒸汽塞经历了从局部蒸汽胚胎到细长蒸汽塞的渐进过渡，其演化受蒸发诱导膨胀、流动诱导变形、表面张力及通道约束的共同控制。在所考察的工况条件下，提高壁面温度和入口流速会加速蒸汽塞发展并增强热传递，而增大接触角则减少液体铺展并将蒸发区域局限在靠近壁面的液-气界面附近。定量而言，传热系数从约1.8×10? W·m?2·K?1提升至4.3×10? W·m?2·K?1，增幅约为139%。热性能因子从1.00分别提升至1.33和1.53，最大改善幅度达53%。尽管压降随雷诺数增大和蒸汽塞发展而增加，但传热性能的提升超过了相应的水力惩罚代价。上述结果表明，壁面波纹、运行工况、润湿性及界面性质的耦合作用强烈影响着蒸汽塞动力学及其对应的微通道流动沸腾热力水力性能。本研究的发现为波纹诱导流动扰动、相变动力学与润湿性之间的相互作用提供了物理机制层面的洞察，并为紧凑型热管理系统（包括高功率电子器件冷却、电池热管理、燃料电池冷却及其他相变冷却应用）的设计提供了指导。

## 利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。

## 数据可用性声明

支持本研究结论的数据可在合理要求下从通讯作者处获得。