面向薄膜沸腾传热的仿生拓扑表面毛细传输研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2021.23.003

摘要/Abstract

摘要： 为提高表面结构毛细极限，强化毛细供液薄膜沸腾传热性能，通过纳秒脉冲激光加工的熔凝和相爆炸效应在金属钛表面加工出具有微颗粒结构的微沟槽阵列，并采用基于敞式微沟槽流阻模型修正的毛细传输特性系数进行毛细传输能力表征。研究结果表明，纳秒脉冲激光加工的微颗粒结构显著提高了微沟槽超亲液性和工质毛细传输能力；毛细传输特性系数随微沟槽宽度减小而增大，且在沟槽底部加工次级微沟槽可获得仿红瓶子草绒毛的跨尺度超亲液分层微沟槽阵列，形成独特分层毛细传输模式，进一步提高毛细极限。

关键词: 毛细传输, 薄膜沸腾, 红瓶子草, 纳秒脉冲激光, 超亲液

Abstract: In order to improve the capillary limit of surface structures for enhancing capillary-fed film boiling heat transfer， the microgroove arrays overlaid with microparticle structures were fabricated on titanium substrates by taking advantages of melting and solidification， and phase explosion of nanosecond pulsed lasers. A modified capillary liquid transport characteristic coefficient was developed to characterize the capillary liquid transport capability of the fabricated microgrooves based on flow resistance in open microgrooves model. The results show that the microparticle structures obtained during laser ablation improve the superhydrophilicity as well as the capillary liquid transport capability. The capillary coefficient increases with the decrease of the microgroove width. Moreover， the capillary limit may be further increased by fabricating minor microgrooves at the bottom of the major microgrooves with unique layered capillary transport configuration in imitation of sarracenia trichome.

Key words: capillary liquid transport, film boiling, sarracenia, nanosecond pulsed laser, superhydrophilicity

中图分类号:

TH162

杨晓龙, 唐煜, 朱荻. 面向薄膜沸腾传热的仿生拓扑表面毛细传输研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(23): 2799-2807.

YANG Xiaolong, TANG Yu, ZHU Di. Capillary Liquid Transport on Biomimetic Topological Surfaces for Film Boiling Heat Transfer[J]. China Mechanical Engineering, 2021, 32(23): 2799-2807.

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参考文献

［1］LI Jiaqi， FU Wuchen， ZHANG Bohan， et al. Ultra-scalable Three-tier Hierarchical Nanoengineered Surfaces for Optimized Boiling［J］. ACS Nano， 2019， 13（12）：14080-14093.
［2］LI J， ZHU G H， KANG D， et al. Endoscopic Visualization of Contact Line Dynamics during Pool Boiling on Capillary-activated Copper Microchannels［J］. Advanced Functional Materials， 2021， 31（4）：2006249.
［3］HUANG Bi， JIAN Qifei， LUO Lizhong， et al. Research on the In-plane Temperature Distribution in a PEMFC Stack Integrated with Flat-plate Heat Pipe under Different Startup Strategies and Inclination Angles［J］. Applied Thermal Engineering， 2020， 179：115741.
［4］CHO H J， PRESTON D J， ZHUY Y， et al. Nanoengineered Materials for Liquid-Vapour Phase-change Heat Transfer［J］. Nature Reviews Materials， 2016， 2（2）：1-17.
［5］ELSAYED M L， WU W， CHOW L C. High Salinity Seawater Boiling Point Elevation：Experimental Verification［J］. Desalination， 2021， 504：114955.
［6］JIA Chao， LI Yiju， YANG Zhi， et al. Rich Mesostructures Derived from Natural Woods for Solar Steam Generation［J］. Joule， 2017， 1（3）：588-599.
［7］LIU Guohua， XU Jinliang， WANG Kaiying. SolarWater Evaporation by Black Photothermal Sheets［J］. Nano Energy， 2017， 41：269-284.
［8］MOON J H， FADDA D， SHIN D H， et al. Boiling-driven， Wickless， and Orientation-independent Thermal Ground Plane［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2021， 167：120817.
［9］WEN R F， MA X H， LEE Y C， et al. Liquid-Vapor Phase-change Heat Transfer on Functionalized Nanowired Surfaces and Beyond［J］. Joule， 2018， 2（11）：2307-2347.
［10］SEO H， YUN H D， KWON S Y， et al. Hybrid Graphene and Single-walled Carbon Nanotube Films for Enhanced Phase-change Heat Transfer［J］. Nano Letters， 2016， 16（2）：932-938.
［11］SHIN S， CHOI G， RALLABANDI B， et al. Enhanced Boiling Heat Transfer Using Self-actuated Nanobimorphs［J］. Nano Letters， 2018， 18（10）：6392-6396.
［12］DHILLON N S， BUONGIORNO J， VARANASI K K. Critical Heat Flux Maxima during Boiling Crisis on Textured Surfaces［J］. Nature Communications， 2015， 6（1）：1-12.
［13］SINHA-RAY S， ZHANG W S， STOLTZ B， et al. Swing-like Pool Boiling on Nano-textured Surfaces for Microgravity Applications Related to Cooling of High-power Microelectronics［J］. NPJ Microgravity， 2017， 3（1）：No.9.
［14］YU D I， KWAK H J， NOH H， et al. Synchrotron X-ray Imaging Visualization Study of Capillary-induced Flow and Critical Heat Flux on Surfaces with Engineered Micropillars［J］. Science Advances， 2018， 4（2）：e1701571.
［15］CHENG Xiao， WU Huiying. Improved Flow Boiling Performance in High-aspect-ratio Interconnected Microchannels［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2021， 165：120627.
［16］CHENG Xiao， YAO Yuanpeng， WU Huiying. An Experimental Investigation of Flow Boiling Characteristics in Silicon-based Groove-wall Microchannels with Different Structural Parameters［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2021， 168：120843.
［17］HONG S H， DANG C B， HIHARA E. A 3D Inlet Distributor Employing Copper Foam for Liquid Replenishment and Heat Transfer Enhancement in Microchannel Heat Sinks［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2020， 157：119934.
［18］LI Wenming， WANG Zuankai， YANG Fanghao， et al. Supercapillary Architecture-activated Two-phase Boundary Layer Structures for Highly Stable and Efficient Flow Boiling Heat Transfer［J］. Advanced Materials， 2020， 32（2）：1905117.
［19］ZHANG C， PALKO J W， BARAKO M T， et al. Enhanced Capillary-fed Boiling in Copper Inverse Opals via Template Sintering［J］. Advanced Functional Materials， 2018， 28（41）：1803689.
［20］BANG S， RYU S， KI S， et al. Superhydrophilic Catenoidal Aluminum Micropost Evaporator Wicks［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2020， 158：120011.
［21］MONTAZERI K， LEE H， WON Y. Microscopic Analysis of Thin-film Evaporation on Spherical Pore Surfaces［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 122：59-68.
［22］HANKS D F， LU Z M， SIRCAR J， et al. Nanoporous Membrane Device for Ultra High Heat Flux Thermal Management［J］. Microsystems & Nanoengineering， 2018， 4（1）：1-10.
［23］WEN R F， XU S S， LEE Y C， et al. Capillary-driven Liquid Film Boiling Heat Transfer on Hybrid Mesh Wicking Structures［J］. Nano Energy， 2018， 51：373-382.
［24］LU Z M， WILKE K L， PRESTON D J， et al. An Ultrathin Nanoporous Membrane Evaporator［J］. Nano Letters， 2017， 17（10）：6217-6220.
［25］WANG Qingyang， CHEN Renkun. Ultrahigh Flux Thin Film Boiling Heat Transfer through Nanoporous Membranes［J］. Nano Letters， 2018， 18（5）：3096-3103.
［26］DAO V D， VU N H， YUN S N. Recent Advances and Challenges for Solar-driven Water Evaporation System toward Applications［J］. Nano Energy， 2020， 68：104324.
［27］WANG Q Y， CHEN R K. Widely Tunable Thin Film Boiling Heat Transfer through Nanoporous Membranes［J］. Nano Energy， 2018， 54：297-303.
［28］ERP R， SOLEIMANZADEH R， NELA L， et al. Co-designing Electronics with Microfluidics for More Sustainable Cooling［J］. Nature， 2020， 585（7824）：211-216.
［29］JIA Y T， XIA G D， ZONG L X， et al. A Comparative Study of Experimental Flow Boiling Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics in Porous-wall Microchannel Heat Sink［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 127：818-833.
［30］SHARMA D， GHOSH D P， SAHA S K， et al. Thermohydraulic Characterization of Flow Boiling in a Nanostructured Microchannel Heat Sink with Vapor Venting Manifold［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 130：1249-1259.
［31］TANG Heng， TANG Yong， WAN Zhenping， et al. Review of Applications and Developments of Ultra-thin Micro Heat Pipes for Electronic Cooling［J］. Applied Energy， 2018， 223：383-400.
［32］DING C， SONI G， BOZORGI P， et al. A Flat Heat Pipe Architecture Based on Nanostructured Titania［J］. Journal of Microelectromechanical Systems， 2010， 19（4）：878-884.
［33］JU Jie， BAI Hao， ZHENG Yongmei， et al. A Multi-structural and Multi-functional Integrated Fog Collection System in Cactus［J］. Nature Communications， 2012， 3（1）：No.1247.
［34］CHEN Huawei， RAN Tong， GAN Yang， et al. Ultrafast Water Harvesting and Transport in Hierarchical Microchannels［J］. Nature Materials， 2018， 17（10）：935-942.
［35］SHUGAEV M V， HE M， LEVY Y， et al. Laser-induced Thermal Processes：Heat transfer， Generation of Stresses， Melting and Solidification， Vaporization and Phase Explosion［M］∥ SUGIOKA K. Handbook of Laser Micro- and Nano-Engineering. Cham：Springer， 2020：1-81.
［36］XU Xianfan. Phase Explosion and Its Time Lag in Nanosecond Laser Ablation［J］. Applied Surface Science， 2002， 197：61-66.
［37］HE Haidong， WANG Chunju， ZHANG Xi， et al. Facile Fabrication of Multi-scale Microgroove Textures on Ti-based Surface by Coupling the Re-solidification Bulges Derived from Nanosecond Laser Irradiation［J］. Surface and Coatings Technology， 2020， 386：125460.
［38］WASHBURN E W. The Dynamics of Capillary Flow［J］. Physical Review， 1921， 17（3）：273-283.
［39］TANG Yong， DENG Daxiang， HUANG Guanghan， et al. Effect of Fabrication Parameters on Capillary Performance of Composite Wicks for Two-phase Heat Transfer Devices［J］. Energy Conversion and Management， 2013， 66：66-76.
［40］DENG Daxiang， LIANG Dejie， TANG Yong， et al. Evaluation of Capillary Performance of Sintered Porous Wicks for Loop Heat Pipe［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 2013， 50：1-9.

[1]	吕谦, 刘维伟. 增材喷管收扩段磨粒流光整分子动力学仿真与参数优化研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(12): 3017-3022.
[2]	郑乔, 吕瑞强, 崔本城, 左芮. 基于工艺数据规范表达的工艺知识泛化[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2728-2737.
[3]	李文倩, 刘战强, 赵金富, 王兵, 蔡玉奎. 干气密封动环表面的螺旋槽纳秒激光制备[J]. 中国机械工程, 2025, 36(10): 2207-2214.
[4]	杨凯, 王磊, 汤永凯, 刘谋斌, 郭子傲. 面向高端装备的金属激光增材制造技术发展与应用[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 2068-2080.
[5]	周金宇, 陈逸飞. 基于多尺度模拟的选区激光熔化金属件疲劳性能预测[J]. 中国机械工程, 2025, 36(09): 2087-2096.
[6]	张超1, 任莹晖1, 2, 于晓琳1, 李茂君2, 余承阳2, 杜新亮1. 基于细观仿真建模的CFRP纵扭超声铣削材料去除机理研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(04): 760-769,779.
[7]	刘哲1, 杨德存1, 2, 阳智麾1, 江磊1. 基于接触区域自适应调整的圆弧头立铣刀后刀面磨削轨迹精确计算方法[J]. 中国机械工程, 2024, 35(07): 1222-1231，1240.
[8]	白小帆, 刘志强, 刘彦士. 轴向低频振动对皮质骨钻削进给力的影响试验与分析[J]. 中国机械工程, 2023, 34(20): 2411-2427.
[9]	刘英杰, 胡强, 赵新明, 张少明, 黄帅, 王永慧. 汽车发动机连接支架拓扑优化及增材制造研究[J]. 中国机械工程, 2023, 34(18): 2238-2267.
[10]	谢法吾, 李玲玲, 李丽, 黄洋鹏. 基于多目标混合进化算法的作业车间混排可变分批节能调度方法[J]. 中国机械工程, 2023, 34(13): 1576-1588,1598.
[11]	王成兵, 熊建军, 江磊, 马术文. 钻尖直线刃后刀面的砂轮磨削轨迹算法研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(16): 1906-1911.
[12]	夏琴香, 曾伟国, 陈明星, 肖刚锋, 黄国军. 基于实例推理的模具零件加工工艺决策模型构建及应用[J]. 中国机械工程, 2022, 33(08): 970-976，985.
[13]	余建杭, 颜培, 范雷, 顾慧卿, 焦黎, 仇天阳, 王西彬. 相态对镍钛合金清洁切削性能和表面完整性的影响[J]. 中国机械工程, 2022, 33(05): 569-576.
[14]	陈妮, 韦佳伟, 张鑫磊, 李亮, 何宁. 激光改性后氮化铝基板的可加工性研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(23): 2817-2882.
[15]	吴柯, 陆新明, MEHMOOD Awais, 周立波, 袁巨龙. 基于固结磨粒的单晶蓝宝石自旋转磨削加工方法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(16): 2002-2007，2015.