基于格子玻尔兹曼方法的嵌入微结构空腔表面池沸腾特性数值研究

《International Journal of Heat and Fluid Flow》：Numerical study of pool boiling characteristics in cavity surfaces with embedded microstructures based on lattice Boltzmann method

　　

•使用混合热格子Boltzmann方法（LBM）模拟了嵌入微结构腔体表面的池沸腾过程。•系统研究了微结构几何形状对气泡动力学的影响。•倒梯形微结构可将气泡成核周期缩短50%。•疏水性倒梯形微结构可加速蒸汽流动并延缓膜态沸腾的发生。•倒梯形微结构可将临界热流密度提高约8.8%。引言沸腾热传递在能源系统、电力生产和航空航天工程等领域具有广泛的工程应用（Mertens等人，2024）。作为一种典型的相变传热过程，沸腾通过气泡的成核、生长和脱离实现高效传热，涉及复杂的双相流行为和强烈的汽化现象。沸腾热传递最显著的优点之一是能够在相对较低的壁面过热度条件下维持高热流密度，这使其成为高性能热系统中的关键传热机制。凭借这些特性，沸腾热传递已被广泛应用于高热流密度装置中（Davani等人，2024），包括超级计算机的热管理系统、混合动力汽车（Ahmad等人，2023）、微电子器件（Wu等人，2024）、基于纳米流体的冷却系统（OuYang等人，2024）以及电场增强沸腾装置（Wang等人，2024）。基于流体运动特征，沸腾可分为池沸腾和流动沸腾（Chu等人，2024）。与流动沸腾相比，池沸腾通常表现出更高的运行稳定性、更低的噪声水平和更少对外部流动驱动设备的依赖性，因此被视为被动式高热流密度应用中一种颇具吸引力的散热策略。近年来，大量实验研究已开展以探索沸腾热传递。然而，由于难以精确控制微观实验条件，直接观测微观尺度的气泡动力学仍然具有挑战性。因此，数值模拟已成为一种重要的补充方法。与难以处理早期气泡成核的传统计算流体力学方法相比，格子Boltzmann方法（LBM）受到了越来越多的关注。作为一种介观方法，LBM在处理复杂多相边界和相变过程方面具有独特优势，无需显式界面追踪算法（Zhang和Li，2025）。通过描述离散格子上粒子分布函数的流进和碰撞过程来描述流体运动，LBM具有高度的计算效率、天然的并行化能力，并在处理复杂边界条件方面具有显著优势，特别适合用于模拟沸腾相变传热过程。已开发出多种多相LBM模型，包括相场模型、伪势模型（Guzella和Cabezas-Gómez，2025）、色梯度模型和自由能模型（Sun等人，2013）。其中，伪势LBM引入粒子间相互作用势以诱导相分离，能够自然地捕获液-汽界面的形成、变形和迁移，而无需显式的界面追踪算法（Li等人，2015）。该模型最初由Shan和Chen提出（Shan和Chen，1993），通过粒子间相互作用势实现多相分离。为了实现热多相模拟，研究人员不断改进该模型，将其与能量方程和实际状态方程相结合（Fedoseev和Salnikov，2024）。值得注意的是，Li和Luo，2014，Li等人，2017提出了一种具有有限差分格式的混合热相变LBM，成功地缓解了数值不准确性并再现了从核态沸腾到膜态沸腾的完整池沸腾曲线。这些方法学上的进步为研究复杂的沸腾现象奠定了坚实的基础。得益于这些数值技术的进步，研究人员广泛利用LBM探索了基本流动物理规律以及工程表面的池沸腾增强机制。例如，近期研究系统地调查了池沸腾过程中的气泡动力学及其传热机制（Das和Bhattacharya，2025）。在这些基础性见解的基础上，早期研究主要集中于表面润湿性的修改。例如，Gong和Cheng（2015）表明，具有混合亲水-疏水润湿性的平面表面与均匀表面相比可以显著增强传热效率。这一研究进一步被Li等人（2018）和Yu等人（2018）扩展，他们进行了三维LBM研究以优化混合润湿性的空间分布模式。随后，越来越多的关注被投向润湿性和几何微结构的协同效应。实验上，近期研究证实，混合表面与微针柱耦合可以显著增强池沸腾性能，通过促进液体补给和加速气泡脱离来实现（Song等人，2024）。受这些令人振奋的物理现象的启发，研究人员广泛利用LBM在介观尺度上研究这些组合效应。例如，Li等人（2020）研究了表面结构和混合润湿性的组合效应，揭示了核态沸腾的显著增强。Ma等人（2018）模拟了仿生双相热沉上的饱和沸腾，以模拟自然高效结构。为了进一步优化热性能，研究人员系统地检查了带有粗糙化和复合结构装饰表面的气泡动力学。Ahmad等人（2021）研究了粗糙表面上的成核点相互作用，而Ma和Cheng（2019）以及Ahmad等人（2021）分析了具有多个腔体-柱阵列的混合表面上的干斑动力学和位点相互作用。此外，Ezzatneshan等人（2023）评估了微加热器形状和局部润湿性对沸腾现象起始的影响。研究表明，改变结构形状可以有效地增加有效传热面积并加速气泡脱离。Cai等人（2023）模拟了腔体结构的影响，证明不同的槽道几何形状强烈影响核态沸腾传热。Chang等人（2019）系统地分析了结构化表面上的池沸腾。Zhang等人（2025a，Zhang等人，2025b）的近期研究进一步强调了利用T形微翅片和优化微点间距可以有效地削弱液膜覆盖并改善沸腾性能。最近，模拟和实验开始探索复杂的方向性几何形状，这些形状在引导局部气液流动方面具有独特优势。Li等人（2021）研究了梯形微通道和纳米结构的基础角度效应，展示了它们在液滴润湿和蒸汽运动方面的特定作用。Guo等人（2023）和Zhou等人（2019）进一步证实，单个核态位点的几何形状与亲水-疏水图案的结合对于最大化池沸腾效率起着关键作用。尽管取得了这些重大进展，现有文献主要集中在突出的微柱或相对简单的槽形腔体上。混合润湿性腔体与特定嵌入内部微结构相结合的协同传热机制仍然知之甚少。为了弥补这些空白并进一步探索高效沸腾表面，本研究系统研究了嵌入微结构的混合润湿性表面上的池沸腾传热。采用多松弛时间（MRT）伪势混合热LBM，并与流体-固体共轭传热方案严格耦合，以捕获真实的热响应。与传统的突出微柱或表面梯形通道不同，当前设计专注于腔体内部嵌入的微结构。这种构型旨在利用腔体内部气泡成核增强的协同效应以及嵌入结构提供的优化蒸汽移除路径，这在以前的格子Boltzmann研究中较少被探索。本研究的主要贡献和详细工作流程如下：第2节介绍了所提模型的理论框架和数值方法。第3节给出了数值验证，以证明模型的准确性和可靠性。第4节系统地分析了不同壁面过热度条件下各种内部微结构腔体表面上的气泡动力学和池沸腾传热特性。最后，第5节总结了主要结论，为下一代微结构热管理系统的精确设计提供了深刻的理论见解和实践指导。章节片段数值方法在本研究中，基于混合伪势LBM模拟，数值研究了具有混合润湿性表面的微结构嵌入腔体表面上的二维池沸腾过程。本节介绍了所研究的池沸腾过程的物理模型，并介绍了相应的数值方法。所提出的框架包括一个用于液-汽相变过程的鲁棒伪势格子Boltzmann模型，以及针对...的 能量方程 拉普拉斯定律和表面张力的确定为了验证拉普拉斯定律并检验表面张力的可调节性，在128×128的格子域上对静止液滴进行了数值模拟，两个方向均施加了周期性边界条件。如图3（a）所示，在计算域中心初始化一个半径为Rd的饱和液滴，而其余区域由饱和蒸汽相占据。密度场根据公式（34）初始化：ρ（x）=ρg+ρl 微结构表面的池沸腾行为在本节中，使用与共轭传热方案耦合的伪势LBM模拟了如图1所示的池沸腾过程。本研究主要调查了八个案例，其详细尺寸见表3，以展示平面腔体和嵌入内部微结构的腔体的传热特性，以及微结构尺寸的影响，同时分析相关的气泡动力学。所用的计算域... 结论在本研究中，采用MRT伪势LBM与相变模型耦合，数值研究了嵌入腔体内的微结构混合润湿性表面上的池沸腾传热。系统地分析了各种壁面过热度条件下的气泡动力学和传热特性。通过对八种不同表面构型的全面比较，主要结论明确纳入了定性和定量机制... CRediT作者贡献声明Junhao Yuan：写作—原稿、可视化、验证、形式分析、数据整理。Huaqiang Liu：写作—审阅与编辑、写作—原稿、监督、资源、项目管理、调查、资金获取、概念化。Chao Ding：写作—审阅与编辑、资源、项目管理、资金获取、概念化。Jieming Zhang：写作—审阅与编辑、可视化、验证、数据整理。Xinzhe Pei：写作—审阅与... 利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢本研究获得了国家自然科学基金（批准号52306070）、国家重点研发计划（批准号2023YFB4301703）、大连市高层次人才创新支持计划（2024RQ009）、辽宁省青年优秀人才培育计划、江西省重点研发计划（批准号20244BBG73009）以及中央高校基本科研业务费（批准号3132025124）的资助。Junhao Yuan|Huaqiang Liu|Chao Ding|Jieming Zhang|Xinzhe Pei|Yulong Ji