位置依赖气泡成核与混合润湿性沟槽表面传热：分子动力学研究

《International Journal of Thermal Sciences》：Location-dependent bubble nucleation and heat transfer on mixed-wettability grooved surfaces: A molecular dynamics study

　　

**摘要**

混合润湿性沟槽表面为调控气泡成核与相变传热提供了一种有效途径，但亲水区域相对于沟槽的位置所起的作用仍不明确。本研究采用非平衡分子动力学模拟方法，研究了具有不同润湿性排列的沟槽金表面上液态氩液膜的气泡成核与传热行为。构建了五种沟槽几何结构相同的表面：一种全疏水表面，以及四种混合润湿性表面——亲水区域分别位于沟槽底部、沟槽侧壁柱上、沟槽外靠近沟槽处和沟槽外靠近边缘处。为隔离位置效应，混合润湿性表面间的总亲水面积保持一致。结果表明，局部亲水区域可显著加速气泡成核并增强初期能量传递。在各构型中，沟槽底部亲水区域由于沟槽内局部热量的快速积累，获得了最短的成核时间和最低的成核温度。具体而言，与全疏水表面相比，该构型将成核时间从约1500 ps缩短至90 ps，降幅约94%；并将成核温度降低了约3.5 K，从90.3 K降至86.8 K。亲水侧壁柱能够维持后期的能量输入，而沟槽外的亲水区域则因其与沟槽中心的距离不同而诱导不同的成核路径。特别是，位于边缘处的亲水区域将成核位置从沟槽处移开，并促进了气泡的横向生长。对热通量、液体温度、界面热阻、温度分布、总能量及液膜底部形貌的分析表明，气泡成核受沟槽几何结构、润湿性分布、局部热量积累与界面重构耦合作用的支配。本工作为面向高热通量热管理的混合润湿性沟槽表面设计提供了分子层面的指导。

**引言**

随着高功率密度机电设备、微机电系统、航天热控部件、紧凑型换热器以及微纳电子器件的快速发展，受限空间中的热量积聚已成为日益关键的问题。在机械工程与能源系统中，局部高热通量不仅会降低运行效率，还可能引发热疲劳、材料性能退化及可靠性失效。因此，开发适用于小尺度、高热通量条件的有效热管理策略，对先进机械系统和高功率器件至关重要。与单相对流换热相比，沸腾换热能够通过液-汽相变潜热实现快速能量移除，而气泡成核、生长、合并与脱离过程增强了近壁液相扰动。因此，沸腾被认为是一种消散高热通量的有效手段[1, 2, 3]。然而，初始气泡成核通常在极短的时间和纳米尺度的空间内发生，使得通过实验方法直接捕获局部热量积累、界面热阻变化以及液膜底部形貌演化变得十分困难。分子动力学（MD）模拟可在原子尺度揭示固-液相互作用、能量传递及气泡核的形成过程，因此已成为研究纳米尺度沸腾相变机制的重要工具[4, 5]。早期关于快速加热金属表面上超薄液态氩薄膜及纳米通道中气泡形成的MD研究，建立了分辨蒸发、气泡成核以及润湿性依赖的相变行为的原子框架[6, 7]。与此同时，经典热边界阻理论将卡皮扎热阻与界面温度不连续及热通量相关联，而分子模拟已表明其对液-固润湿性具有强烈的依赖性[8, 9]。

从建模角度来看，宏观连续介质方法适用于预测器件尺度的两相流与传热，但通常需要针对气泡成核、界面相变及接触线运动等建立本构或经验模型。介观方法（如格子玻尔兹曼方法和相场方法）可在较大的时空尺度上描述多相界面演化，但其界面与润湿行为仍依赖于预设参数[10]。相比之下，MD模拟可直接分辨原子运动与分子间相互作用，从而考察局部密度涨落、固-液能量交换、温度与能量分布以及汽核的初始形成[4, 5, 11, 12]。因此，MD模拟尤其适合本研究，因为沟槽与润湿性域均处于纳米尺度，且主要目的是阐明气泡成核中位置依赖的分子机制。当然，研究结果应理解为分子尺度的机理与相对趋势，而非直接的器件尺度预测。

表面润湿性是影响气泡成核与相变传热的关键因素。一般而言，疏水区域对液体原子的吸引力较弱，更易诱导低密度空腔的形成，从而有利于初始气泡成核。相反，亲水区域提供更强的固-液相互作用，降低界面热阻并提高能量输入效率，有利于液膜加热及后续气泡生长[4, 13, 14, 15]。Li等人[4]通过MD模拟研究了不同润湿性光滑表面上液态氩的气泡成核行为，发现增强疏水性可增大空腔形成的概率，而增强亲水性则有利于气泡生长。Wang等人[16]报告指出，对于足够薄的纳米薄膜，由于亲水表面具有较低的界面热阻，可将热量更快地传递给液膜，从而更早触发爆发性沸腾。Bai等人[15]也发现，亲水铜表面的水膜表现出更高的温度梯度、更高的初始热通量及更低的卡皮扎热阻。这些研究表明，亲水性和疏水性在气泡成核和热传递中发挥不同的作用，具有均匀润湿性的表面往往无法同时实现快速成核与高效传热。

为结合亲水区域与疏水区域的优势，混合润湿性表面近年来受到了越来越多的关注。与均匀润湿表面相比，混合润湿性表面可通过亲水与疏水区域的空间排列来调控气泡成核位点、汽-液输运路径及局部热量分布[5, 17, 18]。Zhou等人[5]研究了不同润湿性图案化表面上液态氩的气泡成核行为，发现在低壁温条件下气泡优先在疏水区域上形成，而随壁温升高，成核位点逐渐从疏水区域向亲水区域转移。他们还确定了使气泡成核温度最小化的最优疏水面积分数。Deng等人[19]进一步表明，即使亲水与疏水面积比相同，不同的润湿性图案也会导致不同的气泡形貌、气泡体积、起燃温度及蒸发速率。Liu等人[20]对比了环形和条纹图案润湿表面，发现图案几何形状、疏水面积分数以及纳米结构共同影响气泡核发展、最大热通量和爆发性沸腾效率。这些研究表明，混合润湿性表面的增强效应不仅取决于面积比，还强烈依赖于润湿性区域的空间排列。

除润湿性外，沟槽、纳米腔体、纳米柱和多孔结构等表面形貌也显著影响气泡成核与沸腾传热。沟槽和纳米腔体可增大固-液接触面积并产生局部热量积累和密度涨落，从而为气泡核的形成提供有利条件[1, 18, 21]。Chen等人[11]研究了不同润湿性沟槽基底上的气泡成核，指出沟槽通过改善局部热能传递并支撑初始气泡核而促进成核。Zhou等人[1]表明，矩形纳米腔体可显著缩短气泡成核时间并降低沸腾起始温度，因为腔体内的液体可同时从底壁和侧壁接收热量，导致局部热量积累。Jia等人[18]比较了不同形状沟槽上液态氩的气泡成核行为，发现沟槽内氩原子温度通常高于其他区域，进一步证实了沟槽结构的局部热量积累效应。

近年来，表面结构与润湿性之间的耦合作用受到了越来越多的关注。纳米通道、多孔结构和纳米柱已被证明可通过改变局部固-液接触状态、液体补给路径及气泡生长空间来影响相变传热[21, 22, 23]。Hossain等人[21]研究了混合润湿性纳米多孔表面上的薄膜相变，表明孔隙内的局部热量积累同时取决于孔隙高度和润湿性配置，从而导致初始气泡成核和生长模式的显著变化。Miah等人[23]进一步报道，多孔结构可延迟莱登弗罗斯特蒸汽膜的形成，而不同的基底/基体润湿性组合会导致不同的传热效率。Zhou等人[22]研究了三维混合润湿纳米柱表面，发现中心柱的润湿性显著改变了柱间气泡成核行为、氩密度、势能分布和热通量。其他研究还表明，混合润湿性可影响各种相变过程中的蒸发、凝结、纳米流体沸腾和蒸汽膜生成[24, 25, 26, 27]。因此，在纳米结构表面上，润湿性与局部几何形状、液体填充状态和界面能量分布相互作用，共同决定气泡成核和热传递。

此外，电场、声学激励和机械振动等主动技术可动态调控气泡或冷凝液滴行为，但通常需要外部能量输入和额外控制装置[28]。相比之下，将沟槽几何结构与润湿性修饰相结合是一种被动策略：沟槽促进局部热量积累并提供有利成核空间，而润湿性分布则调控固-液能量传递和成核位置[6]。尽管被动表面的动态可调性较差，但无需持续外部驱动，适用于低功耗和结构集成化热管理系统。因此，被动与主动增强方法应视为互补而非互斥。

此前的研究已表明，沟槽几何结构与润湿性分布的耦合作用可显著影响气泡成核和沸腾传热。Zhao等人[29]比较了沟槽表面底部和侧壁上不同的润湿性组合，发现疏水底部配亲水侧壁有利于更早的气泡成核，而亲水底部配疏水侧壁则产生更高的最大热通量。Wang等人[30]进一步研究了梯形沟槽内不同疏水位点和疏水面积分数。Zhou等人[31]考察了矩形纳米腔内壁上非均匀润湿性排列，确定疏水底部/亲水侧壁构型有利于核态沸腾。Cui等人[32]研究了沟槽位置与沟槽润湿性对混合润湿性表面的综合影响，表明气泡成核和生长与局部势能分布和总能量分布密切相关。

其他研究表明，表面润湿性的效应也可与纳米通道尺寸、表面粗糙度和纳米颗粒沉积产生耦合作用[13, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39]。这些研究证实，混合润湿性和表面几何结构不应被独立看待。然而，它们也表明，当润湿性面积、表面结构和润湿性位置同时变化时，难以识别各因素的单独贡献。

尽管这些研究为表面结构与润湿性之间的耦合提供了重要见解，但大多数此前的研究集中在优化沟槽或纳米腔内壁上的润湿性组合、改变沟槽内的疏水面积分数，或同时改变沟槽位置和沟槽润湿性。因此，亲水区域相对于固定沟槽的具体位置效应尚未被充分隔离。特别是，当具有相同实际表面积的亲水区域从沟槽内部移至沟槽外不同距离位置，而沟槽几何结构和热条件保持不变时，气泡成核位点、局部热量积累以及后续气泡生长路径如何变化仍不清楚。

为弥补这一特定的研究空白，本研究构建了五种沟槽几何结构相同的沟槽表面，包括一种全疏水表面和四种混合润湿性表面。对于四种混合润湿性表面，亲水区域分别位于沟槽底部、沟槽侧壁柱上、沟槽外靠近沟槽处以及沟槽外靠近表面边缘处。这四种表面间实际的亲水表面积保持一致，以便能够独立于亲水面积效应来考察亲水区域位置的影响。对气泡成核位置、成核时间与温度、气泡体积演化、热通量、液态氩温度、界面热响应、局部温度分布、总能量以及液膜底部形貌进行了分析，以揭示亲水区域的相对位置如何调控气泡成核和生长路径。

因此，本工作在常规内凹槽润湿性优化的基础上进行了拓展，考察了固定凹槽与等面积亲水区域之间的空间匹配关系。仿真模型采用LAMMPS进行非平衡分子动力学模拟，研究局部亲水区域位置对微沟表面上气泡成核与界面传热的影响。如图1(a)所示，模拟系统由底部的微沟Au基底、液态Ar薄膜以及液膜上方的Ar蒸气区域组成。模拟域在x、y和z方向的尺寸分别为240 ?、40 ?和610 ?，其中z方向。气泡成核与生长行为图3展示了五种混合润湿性微沟表面上气泡成核的过程。尽管五种表面具有相同的凹槽几何形状，但由于凹槽附近亲水和疏水区域分布不同，在初始成核位置、成核时间和早期气泡形貌方面仍可观察到明显差异。这表明在纳米尺度沸腾过程中，凹槽不仅提供了几何扰动和潜在成核空间，而且局部。结论本研究通过非平衡分子动力学模拟阐明了亲水区域的位置如何调控混合润湿性微沟Au表面上的气泡成核与传热。通过保持凹槽几何形状和亲水总面积相同，将亲水区域位置的影响与表面积的影响分离开来。结果表明，局部亲水区域显著促进了气泡成核并增强了早期能量传递。CRediT作者贡献声明Liao Mingjun：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，验证，概念化。Pan Ben：撰写—审阅与编辑，撰写—原始草稿，可视化，软件，调查研究。Hong Wenpeng：撰写—审阅与编辑。Xie Fangfang：撰写—审阅与编辑，指导，方法论，资金获取，概念化。利益冲突声明作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。致谢本研究得到国家自然科学基金（编号：52306074和52676054）的资助。Liao Mingjun | Pan Ben | Hong Wenpeng | Xie Fangfang