《Nuclear Engineering and Design》：Experimental study on the influence of epoxy patterns of bi-conductive surfaces on Pool boiling
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•采用环氧树脂图案来调控气泡脱离和液体补给。•研究了两种铜面积比固定为60%的双导表面。•当铜区域节距接近毛细长度时，CHF达到最佳值。•合理设计的中心环氧树脂方块可以通过缩短液体补给路径来提高CHF和HTC。•过窄的环氧树脂会失去效果，并导致CHF提前发生。引言由于汽化过程
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采用环氧树脂图案来调控气泡脱离和液体补给。
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研究了两种铜面积比固定为60%的双导表面。
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当铜区域节距接近毛细长度时，CHF达到最佳值。
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合理设计的中心环氧树脂方块可以通过缩短液体补给路径来提高CHF和HTC。
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过窄的环氧树脂会失去效果，并导致CHF提前发生。
引言
由于汽化过程中吸收大量的潜热，沸腾传热是一种高效的散热方式，广泛应用于热管理领域，包括电子冷却、蒸汽发生器和核反应堆系统。在表征沸腾性能的参数中，临界热流密度（CHF）和传热系数（HTC）对于评估加热表面的热安全性和传热效率尤为重要。CHF代表核态沸腾的上限，一旦超过CHF，大量蒸汽积聚可能抑制液体补给，并在加热表面形成隔热蒸汽层，导致表面温度急剧升高，可能造成严重的热损伤（Zhang等，2019）。HTC定义为热流密度与表面过热度之比，表征沸腾表面的传热效率。
沸腾传热在核热力系统中尤为重要。代表性应用包括压水堆蒸汽发生器二次侧的沸腾传热（Li等，2024；Vivaldi，2020）、沸水堆燃料组件中的两相冷却（Akiyama等，1989）、被动安全系统（Kouhia等，2021）以及严重事故条件下反应堆容器外部冷却。在这些系统中，沸腾危机代表着关键的热力安全极限，因为与之相关的传热恶化可能导致燃料包壳或其他加热组件温度急剧升高。因此，高效的蒸汽排出和持续的液体补给对于维持有效传热和延缓沸腾危机的发生至关重要。尽管实际的核系统通常涉及强制流动、高压和复杂工况，但池沸腾实验提供了一个良好控制的平台，用于分离表面特性对气泡成核、生长、合并和脱离，以及蒸汽排出、液体补给和CHF的影响。因此，池沸腾研究可以为核工程应用中先进传热表面的开发提供基本的机理理解和设计指导。
为实现优越的冷却性能，研究人员采用了不同的方法来增强CHF和HTC，通过改变表面特性，包括润湿性（Betz等，2013、Betz等，2010；Godinez等，2021；Hsu和Chen，2012；Kandlikar，2001；Yan等，2019；Yim等，2019）、粗糙度（Guan等，2014；Kim等，2018；Kurihara和Myers，1960；Marto和Rohsenow，1966；McHale和Garimella，2010）、孔隙率（Bergles和Chyu，1982；OConnor等，1996；Patil和Kandlikar，2014；Rainey等，2003；Xu和Zhao，2016）、毛细作用（Ahn等，2012；Kim等，2016a；Son等，2017）等。在所有增强传热方法中，一个最值得注意的潜在机理是将蒸汽路径与回流至气泡下方干斑的再润湿液体流分离开来，延缓不可逆蒸汽层的形成，从而避免触发CHF（Liang和Mudawar，2019；Rahman和McCarthy，2017）。例如，Liter和Kaviany（Liter和Kaviany，2001）通过采用层厚呈周期性变化的调制多孔层涂层，创建了交替的蒸汽逸出区域（以毛细长度为间距分隔）和通过多孔凸起毛细辅助液体回流的高区，成功提高了CHF和HTC。Jaikumar和Kandlikar（Jaikumar和Kandlikar，2016）设计了液体进料通道，将回流液体导向成核区域。他们发现，当两个成核区域之间的距离等于脱离气泡直径时，CHF和HTC的增强达到最佳效果。Betz（Betz等，2013、Betz等，2010）证明，具有非均匀润湿性的表面（结合亲水区和疏水区）可显著提高池沸腾期间的CHF和HTC。这是由于气泡动力学得到改善，亲水区增加成核位点的可用性，而亲水区限制生长气泡的接触直径，从而延缓蒸汽层的形成。
尽管上述表面改性方法具有显著的传热增强效果，但许多文献（Chang等，2010；Lee等，2010；Liang和Mudawar，2019；Yan等，2019）报道了这些方法可能随时间推移而增强效果衰减。例如，一些涉及翅片、通道、腔体等的微/纳米级增强技术极易堵塞，且大多数涂层在经历一定时间后会出现不同程度的脱落。
Rahman（Rahman等，2015）于2015年首先提出了双导表面的概念，以毛细长度为设计基准。不同间距的平行低导热环氧树脂条嵌入在高导热铜基体中。在沸腾过程中，环氧树脂保持湿润并将补给液体引向铜区域，后者抑制气泡的横向移动。研究证明，当两条平行环氧树脂条之间的间距等于毛细长度时，CHF和HTC均达到最佳增强效果。与其他表面改性方法相比，双导表面具有独特的优势。由于其是一种嵌入式面内改性方式，双导表面天然具有抗结垢和抗退化的能力。此外，它们还有望节省一些昂贵的金属材料，且相对便于制造。因此，这是一种值得研究的有前景的表面改性方法。
受Rahman（Rahman等，2015）的启发，研究人员对双导表面进行了实验研究（Heidary等，2021；Najafpour等，2020；Tang等，2024；Yin等，2020）和数值模拟（Deng等，2021）。研究内容主要是确定环氧树脂的最佳特征参数，或将双导表面作为传热增强组合的一部分。然而，在先前的研究中，确定环氧树脂的适当特征参数时，铜区域的有效传热面积也随之改变。因此，整个双导表面整体传热能力的变化受到不同有效传热面积和不同环氧树脂图案导致的气泡动力学变化的共同影响。
为探究不同环氧树脂图案控制的气泡动力学变化如何作为单一因素改变传热特性，本研究在保持铜面积恒定的条件下隔离图案几何效应。设计了两种铜面积比固定为60%的环氧树脂图案，包括网格状环氧树脂样品（有和没有在每个铜区域中心设置方形环氧树脂）。环氧树脂对成核的强抑制作用提供了一种精确控制气泡产生位置的简单方法。此外，进行了可视化实验以精确捕捉气泡行为。所获得的结论有助于理解沸腾增强机理，并为设计具有高效传热能力和安全性的传热表面提供灵感。
章节摘要
池沸腾装置
池沸腾实验装置的示意图如图1所示。可视化池沸腾实验装置包括高速相机、水箱、2个预热器、电源、数据采集系统和加热平台，加热平台在图1中进行了放大展示。
水箱框架为不锈钢材质，各侧窗口由聚碳酸酯制成。水箱底部安装了两个最大功率为1.5 kW的预热器，以确保
结果与讨论
在裸铜和8种具有不同环氧树脂图案的双导样品上进行了池沸腾实验。沸腾曲线如图4所示。在本节中，将分别讨论2类环氧树脂图案（如第2.1.3节所述的有无方形环氧树脂）对沸腾的影响。
结论
本研究设计了两种铜面积比固定为60%的环氧树脂图案，包括网格状环氧树脂样品（有和没有在每个铜区域中心设置方形环氧树脂），以研究不同环氧树脂图案控制的气泡动力学变化如何改变传热特性。本研究为设计用于需要高效传热能力和安全性的工业领域传热表面提供了灵感，对于
CRediT作者贡献声明
汤长畅（Longchang Tang）：写作–审阅与编辑，写作–初稿，可视化，资源，方法学，调查，形式化分析。徐伟（Wei Xu）：写作–审阅与编辑，监督，方法学，资金支持，概念化。刘燕（Yan Liu）：写作–审阅与编辑，验证，方法学，调查，概念化。刘晓静（Xiaojing Liu）：写作–审阅与编辑，验证，监督，方法学，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们不存在已知的竞争财务利益或可能影响本文所报道工作的个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（批准号：12475177）和科技创新行动计划（编号：24TS1414600）的资助。
汤长畅|徐伟|刘燕|刘晓静
