核态沸腾的同步可视化：成核、微液层行为与表面热分布特征的时空数据整合

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Synchronized visualization of nucleate boiling: integrating spatiotemporal data on nucleation, microlayer behavior, and surface thermal patterns

　　

摘要

在核化沸腾中，微米液层形成于气泡下方，在气泡成核中起着至关重要的作用。已有关于微米液层蒸发对气泡生长贡献的报道差异很大，从15%到100%不等。为了理解气泡成核背后的物理机制并模拟热流分配，需要对微米液层动力学及其相关的传热机制进行表征。本研究同步使用了激光干涉仪（LI）、红外测温（IR）和高速摄影技术，测量了饱和和过冷池沸腾中气泡成核过程（0 K ≤ ?T_sub ≤ 8 K）的微米液层厚度、表面温度和气泡尺寸。基于蓝宝石基底中热辐射和传导的耦合分析，推导出表面热流。在接触线附近观察到显著较高的表面热流。测量得到的较高表面热流区域与微米液层覆盖范围高度一致。基于同步测量，研究了沸腾传热，特别是与微米液层行为相关的部分。LI和IR测量的综合分析表明，LI和IR结果在接触线附近以及微米液层外围存在显著差异，这可能导致计算出的微米液层贡献和初始微米液层厚度出现系统性偏差。基于微米液层覆盖范围内的测量壁面热流，分析了微米液层蒸发对气泡生长的贡献。在饱和条件下，微米液层的贡献为40%–60%。分析表明，微米液层的贡献随过冷度增加，在过冷条件下甚至可以超过脱离气泡的总能量。

引言

在核化沸腾中，气泡在加热表面上成核，并在脱离前生长到特定尺寸。气泡生长需要大量的潜热，这使得核化沸腾具有较高的传热效率。因此，它被广泛应用于核工程 [1] 和电子设备散热等领域。然而，气泡生长的动力学过程受多种传热机制的调控 [2]，涉及固体（加热表面）、液体（热边界层）和蒸汽（气泡）三相之间的复杂相互作用。全面了解核化沸腾对于设备安全 [3] 至关重要，但目前对其内在机制的理解仍然不足。

在气泡生长过程中，蒸汽的迅速膨胀在气泡下方驱动形成一层薄薄的液膜，称为微米液层。其厚度在微米量级，作为从固体表面向蒸汽气泡传热的高效介质。这种结构最初由Moore和Mesler [4] 通过特殊热电偶在气泡生长过程中检测到的壁面温度快速下降所证实。Cooper [5] 使用薄膜温度计估算了甲苯气泡下方的微米液层厚度。Sharp [6]、Jawurek [7] 和Koffman [8] 通过干涉仪和高速可视化技术证实了微米液层的存在。作为从固体壁面向气泡传热的主要桥梁，微米液层导致其区域内的壁面温度快速局部下降。准确计算微米液层传热机制对气泡生长的贡献至关重要，因为这直接关系到热源热流在热边界层和固体壁面之间的分配 [9]。

随着光源技术的发展，一系列基于可见光 [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20] 的实验方法被用于直接测量微米液层厚度。Utaka [11] 采用激光消光技术，通过分析衰减的激光信号来量化液膜厚度，以表征水和乙醇沸腾过程中的局部微米液层厚度。对于热通量为50–103 kW/m²（水）和105–143 kW/m²（乙醇）的情况，他们发现微米液层蒸发对气泡生长的贡献为15–70%，且该比例随壁面过热度线性增加。Narayan和Srivastava [21] 在壁面热流从50到80 kW/m²的情况下，通过同步激光干涉仪（LI）和烟云测量技术表征了气泡生长过程中的微米液层动力学。他们确定了气泡生长过程中微米液层动力学的三个不同阶段，并报道微米液层蒸发对气泡生长的贡献不到15%。Wang [22] 采用LI研究了0.1到0.3 MPa压力下的微米液层行为。他们发现，在0.1 MPa下，由微米液层蒸发引起的等效气泡体积超过了实际气泡体积，表明微米液层内可能存在液体流动。

尽管这些光学研究成功量化了微米液层厚度，但随后的传热分析经常依赖于未经验证的微米液层静止假设。这一局限性推动了热测量方法的平行发展，特别是MEMS传感器 [23], [24] 和红外（IR）测温 [25], [26] 被用于局部和整体温度测量。Yabuki和Nakabeppu [24] 使用光刻图案化的MEMS传感器（溅射Ni-Cr膜热电偶）研究了孤立气泡沸腾。在8–15 K的壁面过热度下，测量结果显示微米液层蒸发对气泡生长的贡献为50%，局部热流超过1 MW/m²。IR测温通常结合特殊加热器设计与中红外透明基底（例如，蓝宝石 [27], [28], [29], [30], [31], [32]，CaF₂ [14], [16], [33]，MgF₂ [34]，BaF₂ [35]），并涂覆亚微米级红外不透明薄膜（例如，氧化铟锡（ITO）[25], [26], [27], [28], [36]，钛（Ti）[37], [38]），通过辐射检测进行温度映射。Tanaka [38] 研究了蓝宝石-Ti加热器上的水池沸腾。微米液层对气泡生长的贡献约为50%，局部热流超过1 MW/m²。或者，一些研究人员 [39], [40] 采用了更简单的配置，使用薄钛箔作为加热表面和红外测量目标，以降低实验复杂性。

最近，将光学和热测量技术结合起来的努力带来了更全面的见解。Jung和Kim [33] 基于同步LI-IR系统，研究了涂覆在CaF₂基底上的ITO薄膜上的池沸腾气泡成核和生长。工作流体为过冷度为3 K的水。基于IR图像的分析，他们得出结论，微米液层蒸发对气泡生长的贡献为17%。Tecchio [34] 使用同步白光干涉（WLI）、红外测温和白影法研究了MgF₂-ITO基底上水在池沸腾中的微米液层蒸发。他们的测量结果表明，微米液层蒸发贡献了18%。Han [36] 使用LI和红外测温研究了CaF₂-ITO加热器上微米液层区域和过渡区域的传热机制。Han认为，微米液层区域和过渡区域分别贡献了气泡热量的30%和20%。上述关键实验研究在表1中进行了系统比较。这些研究共同表明，即使在相似的实验条件下，报告的蒸发贡献也存在显著差异（从15%到100%以上），突出了微米液层表征中的根本不确定性。（见表2。）

实验结果中持续存在的差异凸显了当前微米液层研究面临的关键挑战。虽然基底热导率 [38]、微米液层定义差异 [36] 和流体动力学效应（Bure? [41]）已被提出作为解释因素，但微米液层固有流动动力学的潜在作用仍未得到充分探索。虽然理论考量表明黏性力应在微尺度上占主导地位，但微米液层完全静止的实验验证仍然难以捉摸，特别是在接触线附近 [42]。微米液层动力学的间接支持可能见于Kangude [43] 的纳米颗粒沉积研究，他在纳米流体沸腾实验中观察到圆形沉积图案，颗粒沉积厚度和密度沿径向向外逐渐减小。这些沉积特征被解释为微米液层区域内存在毛细管驱动流动的可能证据。直接数值模拟 [42], [44], [45], [46] 试图解决这一差距，解析了微米液层流体动力学，预测内部流速约为0.1 m/s。然而，这些计算结果仍需实验验证。

为了解决这一长期存在的疑问，我们同步使用激光干涉仪（LI）、红外测温仪（IR）和高速摄影，在饱和和过冷池沸腾条件（0 K ≤ ΔTsub ≤ 8 K）下同时测量微米液层厚度、表面温度和气泡形态。在Wang等人方法 [22] 的基础上，我们的LI-IR耦合分析揭示了静止微米液层假设会导致接触线附近和微米液层外围的表面热流被显著高估。微米液层对气泡生长的贡献得到了量化，表明其随过冷度增加，在高度过冷条件下甚至可以超过脱离气泡的总能量。

章节摘录

池沸腾装置

为了表征气泡成核和生长过程中的传热动力学，设计了一种定制的池沸腾装置（图1(a)）。长方体测试容器（200 mm × 200 mm × 200 mm）在相对的两个侧壁和顶部盖上配备了透明钢化玻璃观察窗，以实现全场可视化。安装在容器底部的四个圆柱形筒式加热器（每个450 W）预热去离子（DI）水，使其在沸腾状态下保持120分钟以上，以去除溶解气体

同步可视化图像

同步可视化实验在大气压下进行，液体主体过冷度在0到8 K之间，ITO热流为195 kW/m²。图7说明了在不同径向距离（远离气泡成核点）处表面温度随时间变化的典型情况。在名义热流为195 kW/m²的饱和沸腾中，气泡成核后立即发生显著的近表面冷却。温度下降在

结论

激光干涉仪（LI）、红外测温仪（IR）和高速摄影同步用于测量饱和和过冷池沸腾中气泡成核（0 K ≤ ΔTsub ≤ 8 K）的微米液层厚度、表面温度和气泡尺寸。基于蓝宝石基底中热辐射和传导的耦合分析，推导出表面热流。测量得到的较高表面热流区域与微米液层覆盖范围高度一致，最大局部

CRediT作者贡献声明

Wei Zhang： 撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理，构思。 Xu Cheng： 撰写 – 审阅与编辑，监督。 Jinbiao Xiong： 撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，资金获取，正式分析，构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者谨向国家自然科学基金（项目编号： U23B2069）致以诚挚的谢意，感谢其提供的资金支持。

Wei Zhang|Xu Cheng|Jinbiao Xiong