力学纳米结构形态与混合润湿性耦合影响液膜核化沸腾的分子动力学模拟

张龙艳; 林宇航; 刘硕; 王晓佳

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506932

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (26) :11138-11150 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506932

力学

力学纳米结构形态与混合润湿性耦合影响液膜核化沸腾的分子动力学模拟

张龙艳 ¹ ,
林宇航 ¹ ,
刘硕 ² ,
王晓佳 ²

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Molecular Dynamics Simulation on Coupled Influence of Nanostructure Morphology and Mixed Wettability on Nucleate Boiling of Liquid Film

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摘要

为了探究纳米结构与混合浸润性耦合影响液膜核化沸腾传热特性的微观机制,采用分子动力学方法研究了6种纳米结构复合表面的沸腾过程。研究结果表明:在全疏水性纳米结构复合表面上,气泡核化主要发生在固体表面的亲水区域。另外,液膜起始核化时间最短的是倒梯形纳米结构复合表面,矩形纳米结构复合表面次之,而梯形纳米结构复合表面的时间最长。这是由于纳米结构形态影响加热基底侧壁面亲水区域的固液传热面积以及液膜内部的横向散热。带有部分疏水性纳米结构的复合表面上,起始核化沸腾时间均显著缩短,特别是梯形和倒梯形结构表现出更优异的传热性能。研究结果为优化纳米结构与混合润湿性复合表面以强化核化沸腾传热性能提供了新思路。

Abstract

To reveal the synergistic roles of nanostructure morphology and mixed wettability in regulating nucleate boiling heat transfer in liquid films, molecular dynamics simulations were performed for six nanostructured composite surfaces. The results show as follows. For fully hydrophobic nanostructures, bubble nucleation is preferentially initiated within the hydrophilic regions of the heated substrate. With respect to geometric effects, the shortest nucleation onset time is obtained for the inverted trapezoidal structure, whereas the longest onset delay is observed for the trapezoidal geometry. This trend is attributed to morphology-induced variations in the effective solid-liquid heat-transfer area and lateral heat dissipation within the liquid film. Moreover, when partial hydrophobicity is incorporated into the nanostructures, the nucleation onset time is markedly shortened, and the most pronounced enhancement in heat transfer performance is achieved by the trapezoidal and inverted trapezoidal configurations. These findings provide fundamental insights for the rational design and optimization of functional surfaces to enhance nucleate boiling efficiency.

Graphical abstract

关键词

核化沸腾 / 纳米结构 / 混合浸润性 / 分子动力学

Key words

nucleate boiling / nanostructure / mixed wettability / molecular dynamics

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张龙艳, 林宇航, 刘硕, 王晓佳. 力学纳米结构形态与混合润湿性耦合影响液膜核化沸腾的分子动力学模拟[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(26): 11138-11150 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506932

ZHANG Long-yan, LIN Yu-hang, LIU Shuo, WANG Xiao-jia. Molecular Dynamics Simulation on Coupled Influence of Nanostructure Morphology and Mixed Wettability on Nucleate Boiling of Liquid Film[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(26): 11138-11150 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506932

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随着电子信息技术的迅速发展,电子系统硬件的尺寸不断减小,集成电路的性能和集成度持续提升,导致高热流密度问题日益凸显。随着高性能计算的迅猛发展,人工智能芯片及高功率电力电子设备等面临严峻的热管理挑战。局部热积聚已成为制约国产高端元器件运行效率与寿命的关键因素。因此,突破传统冷却极限、研发高效散热技术,对提升中国电子装备竞争力及实现‘双碳’目标具有重要意义^[1-3]。核态沸腾因其极高的传热效率而成为微电子系统的重要散热手段之一。因此,深入探究核态沸腾的微观物理机理,已成为传热传质领域学者们探讨的重点课题。

影响沸腾传热效果的因素有很多,如固体壁面的几何结构、热壁面的过热度、液体工质以及热壁面的润湿性等^[4-5]。其中,固体加热表面的几何结构以及壁面润湿性是强化沸腾传热的关键因素。Bourdon等^[6]研究发现,亲水性表面发生核化的初始过热度明显高于疏水性表面。Yim 等^[7]分别在3种不同浸润性表面开展了核池沸腾实验,包括普通表面、二氧化钛涂层表面及二氧化钛防水涂层表面。这3种表面的接触角分别为:15°、65°和81°。结果发现:相较于普通固体表面,二氧化钛涂层表面的核化沸腾传热性能提升了64.1%。这是由于二氧化钛表面具有更多活跃的成核点和更高的气泡脱离频率来增强传热。Raghupathi等^[8]通过实验发现加热基底刻蚀10~20 μm深的微槽结构可以有效强化临界热流量(critical heat flux,CHF)。微槽结构影响核化气泡与固体壁面的有效接触线长度,进而影响核化沸腾过程中气泡动力学行为与气泡脱离直径。Duan等^[9]开展了过冷水在不同固体表面的池沸腾实验研究。包括3种均匀排布微柱表面、两种非均匀排布微柱表面以及光滑表面。结果表明:与光滑表面相比,微柱排布的表面的传热系数和临界热流密度得到了显著提升,尤其是非均匀微柱排布表面。这一现象可从非均匀微结构表面具有更强的吸芯性的角度来解释。

随着研究的深入,学者们进一步关注微纳结构强化的同时耦合非均匀浸润性可以实现沸腾传热性能强化^[10-12]。Sun等^[10]通过构建具有混合浸润性的微纳结构表面的池沸腾装置,探索了如何利用最佳混合润湿性和微结构的联合效应来增强池沸腾的协同作用。实验结果表明,混合浸润性微结构表面所达到的最大传热系数(heat transfer coefficient,HTC)和最高临界热流密度(CHF)分别为257.6 kW/(m²·K)和2 190.8 kW/m²,其分别是普通铜表面的4.55倍和1.87倍。Cao等^[11]通过干法蚀刻技术和静电沉积方法制备了具有纳米颗粒沉积的微针翅片表面,探讨了FC-72流体的池沸腾换热特性,结果显示,相较于光滑表面,无纳米颗粒沉积时微结构表面传热性能显著增强,最大过热度降低且最大临界热流密度翻倍,此外,有纳米颗粒沉积的微结构表面的传热性能也得到进一步提升。综上,探讨混合润湿性和微纳结构的协同作用的微观机制对于增强池沸腾传热性能具有重要意义。

由于沸腾现象的复杂性,宏观实验和传统数值模拟手段难以研究微纳尺度现象。分子动力学方法从原子层面出发,为研究核化沸腾微观机理提供了有力支持。近年来,许多学者采用分子动力学方法研究了流体纳米尺度的沸腾相变过程。Zhan等^[13]分别研究了均匀浸润性和混合浸润性纳米结构表面的沸腾传热过程。结果显示,混合浸润性纳米结构表面的传热性能更佳,尤其是纳米结构的凸起部分为亲水性而其余部分为疏水性的固体表面,其初始热流密度更大,起始核化温度更低且起始核化时间更短。Diaz等^[14]的研究发现疏水纳米结构表面更容易形成气膜,但是纯亲水纳米结构表面发生气液相变所需的表面过热度比纯疏水纳米结构表面的更低。此外,混合浸润性纳米结构表面综合了疏水表面和亲水表面的优势,气液固三相界面的传热效率显著提升,有助于促进气液界面的蒸发速率和纳米气泡的形成。Liu等^[15]设计了环状和带状混合浸润性光滑表面和纳米结构表面。通过追踪氩原子的运动轨迹、气泡核化的动力学行为以及固液界面热阻,发现了疏水部分占总面积45%的环状纳米结构表面的爆发沸腾传热性能最佳。Wu等^[16]模拟了水液膜在混合浸润性平壁面上的爆发沸腾过程。研究结果显示,混合浸润性表面可以有效强化沸腾换热,其既保持了纯亲水表面的高传热效率,又可以维持较高的蒸发速率。赵晖等^[17]表征了在混合可浸润的微槽表面上气泡成核过程中三相接触线的运动,并认为亲水侧壁与疏水底壁的气泡生长速率最高。具有图案的可润湿性沟槽表面,特别是BphoSphi表面,可以促进气泡成核。由于在润湿边界处的接触线被钉住,BphoSphi表面上的气泡生长周期比其他沟槽表面延长。另一方面,BphiSpho表面的最大热通量明显增强。Deng等^[18]设计了6种不同的亲水/疏水条纹图案,并指出图案对气泡成核动力学行为、气泡初始成核温度、发生膜态沸腾的温度以及蒸发速率均有显著影响。其结果表明:亲疏水交替分布的表面加剧了初始气泡成核的局部扰动,并促进水平方向的热量和质量传递,从而有利于气泡成核。类似地,Chen等^[19]探究了氩液膜在亲疏水交替结构表面上的爆发沸腾现象。研究结果显示,相比于纯亲水结构表面,虽然亲疏水交替结构表面上的蒸发和传热效率有所降低,但是明显高于纯疏水结构表面。Zhang等^[20-21]发现,发生爆发沸腾的起始温度随着液膜厚度的增加而降低,且液膜脱离固液表面的时间随纳米结构表面浸润性的增强而减少,这是因为随着纳米结构表面固有润湿性的降低,固液界面热阻急剧增加。

综上,润湿性和纳米结构对于调控强化沸腾传热性能具有显著优势,但是大量研究主要集中在对固体换热表面的单一静态修饰,以揭示其对沸腾热传递效率和表面气泡成核的影响,而对混合润湿性表面和混合结构表面的耦合效应给予的考虑较少。因此,现综合考虑耦合表面特性的复杂性,利用分子动力学模拟方法克服宏观实验的观测局限,从原子层面揭示不同纳米结构形态与混合润湿性之间的耦合作用机理。在前期研究成果的基础上^[22],采用分子动力学方法研究薄液膜在固体壁面的沸腾现象,分析不同纳米结构形态与混合浸润性之间的耦合作用对气泡动力学行为以及核化沸腾传热的影响机制。通过对比不同复合表面上液体原子的运动轨迹、核化区域温度、界面热流等特性,进而通过调节疏水区域范围,以获得有利于气泡成核并达到传热强化效果的条件,为强化核化沸腾换热方法提出新的思路。

1 模型与模拟细节

如图1(a)所示,模拟系统在3个坐标方向的尺寸分别为L_x=23.56 nm、L_y=2.35 nm 和L_z=162.53 nm,其中x、y方向均采用周期性边界条件,z方向施加固定边界条件。模拟系统由固体铂原子、液体氩原子和气体氩原子组成。液膜置于固体加热壁面上,初始密度为ρ=1.31g/cm³,厚度为17.67 nm 。固体壁面由26层原子构成,排列为面心立方(face-centered cubic,FCC)晶格结构,其相应的密度为21.45 g/cm³。为了防止模拟系统变形,最外层固体原子维持固定不动。紧邻固定原子的两层原子作为恒温层,施加Langevin恒温热浴,维持热墙壁面的恒定温度。

为了研究纳米结构形态与混合浸润性耦合对核化沸腾特性的影响,使用6种不同纳米结构形态与混合浸润性耦合的固体壁面,依次命名为表面1~表面6,如图1(b)所示,黄色固体原子区域代表疏水区域,蓝色固体原子区域代表亲水区域。固体表面1~表面3中,纳米结构(分别为梯形、矩形与倒梯形)整体均被设定为疏水性。表面4~表面6中,仅纳米结构底部被设定为疏水性,而其余结构区域保持亲水性;对应的结构形态依次为梯形(表面4)、矩形(表面5)与倒梯形(表面6)。这6种结构的横截面积均为17.11 nm²,在z方向的最大深度均为3.14 nm。

固-固原子以及液-液原子之间的相互作用均采用Lennard-Jones 12-6(L-J)势能函数

$\mathit{\varphi }\left(\mathit{r}\right)$

^[23]。

(1)

$\mathit{\varphi }\left(\mathit{r}\right)=4\mathit{\epsilon }\left[{\left(\frac{\mathit{\sigma }}{\mathit{r}}\right)}^{12}-{\left(\frac{\mathit{\sigma }}{\mathit{r}}\right)}^{6}\right]$

式(1)中:ε和 σ分别为能量和尺寸参数;r为原子之间的距离。

对于液-液原子之间的相互作用,ε_l=1.67×10^-21 J和σ_l=3.405×10^-10 m;对于固-固原子之间的相互作用,ε_s=8.35×10^-20 J 和σ_s=2.475×10^-10m。对于固-液原子采用修正后的L-J势能模型^[24],即

(2)

$\mathit{\varphi }\left(\mathit{r}\right)=4\mathit{\alpha }{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{s}\mathit{l}}\left[{\left(\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{s}\mathit{l}}}{\mathit{r}}\right)}^{12}-\mathit{\beta }{\left(\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{s}\mathit{l}}}{\mathit{r}}\right)}^{6}\right]$

式(2)中:σ_sl和ε_sl分别为尺寸和能量参数;α 和β为调节因子。

根据Lorentz-Berthelot混合规则计算得到,分别为σ_sl=0.5(σ_l+σ_s)和

${\mathit{\epsilon }}_{\mathit{s}\mathit{l}}=\sqrt{{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{l}}{\mathit{\epsilon }}_{\mathit{s}}}\mathit{。}$

调节因子α和β分别选取为:α=0.14,β=1.0与 α=0.14,β=0.5,对应的固液界面分别呈现亲水性与弱疏水性^[24]。在平衡计算精度和计算资源耗费的前提下,L-J势函数的截断半径为3.5σ_l。此外,采用Velocity-Verlet方法来积分运动方程,积分时间步长为5 fs。

构建初始模型后,首先对整个系统进行能量最小化处理。然后在正则系综(canonical ensemble, NVT)下平衡2 000 ps,系统温度为T=100 K。当模拟系统达到平衡后,将纳米结构基底壁面加热到T=242.03 K,而氩原子的系综为微正则系综(microcanonical ensemble, NVE)。在此阶段,热量从高温固体基底壁面传递到液膜,触发薄液膜的沸腾相变现象,因此称为沸腾阶段。在该阶段,每隔1 000个时间步输出记录一次原子轨迹、液体温度和热流等。整个模拟过程采用开源大规模原子/分子并行模拟软件LAMMPS^[25],数据可视化由OVITO软件^[26]完成。

2 结果与讨论

2.1 带有全疏水性纳米结构复合表面的沸腾相变现象

为了验证数值模型的可靠性,监测了平衡阶段液氩的温度及液膜上方气相区域的压力特性,如图2所示。对比分析表明,液氩温度符合设定值,在最后1 000 ps范围内,液膜上方的氩蒸汽平均压力基本达到稳定,其平均值与Clark等^[27]对应温度下的氩气饱和蒸气压基本吻合。这一结果表明该模型能够准确模拟气液相平衡,确保其在后续核化沸腾研究中的适用性与准确性。

为了探究混合浸润性纳米结构复合表面对核化沸腾传热特性的影响,模拟了3种纳米结构呈疏水性而两侧平壁面呈亲水性的复合表面上的沸腾过程。图3展示了不同复合表面上不同时刻氩原子的位型图。为了清晰地观察气泡的形态,将液膜成核区域划分为0.2 nm×0.2 nm×0.2 nm的网格单元。当网格内的氩原子密度低于0.65 g/cm³时,定义为蒸汽空间;高于此密度则视为液态空间。将所有蒸汽单元格连在一起形成气泡。当单元格的氩原子密度为0.65 g/cm³时,视为汽-液边界,如图3所示的青蓝色区域表示气泡的边界。

如图3所示,尽管纳米结构呈弱疏水性,但在加热初期,各复合表面上的液氩薄膜总是塌陷在纳米结构表面上。在加热起始阶段,在固体表面3的倒梯形纳米结构角落就可以观察到明显的气泡胚核。然而,表面1和表面2上,气泡胚核分别直到320 ps和460 ps才出现。随后,热量从纳米结构表面向液膜持续传递,导致侧壁面光滑区域出现核化点,触发气泡核化。随着气泡的长大,气泡左右两侧合并,形成气膜。气膜的出现使液膜从固体壁面分离。新的气液界面的出现意味着膜态沸腾的发生。液膜的传热方式由核化沸腾转变为膜态沸腾。对于不同形态纳米结构复合表面,尽管气泡胚核最早在纳米结构内形成,但这些气泡胚核并没有继续长大,而是复合表面的侧壁面光滑区域的气泡胚核长大并最终形成气膜。3种复合表面1~表面3的液膜发生核化沸腾的起始时间分别为640、550、420 ps。这一现象可归因于纳米结构表面为疏水性,固液原子之间的作用较弱,易于产生气泡胚核,但通过固液原子之间的热交换不足以维持气泡生长所需的能量;而侧壁面光滑区域的固液原子之间的相互作用强,通过固液界面传递的热量多,热量更容易发生局部聚集,从而触发气泡核化及生长。并且光滑区域的固液接触面积越大,发生核化沸腾的起始时间与膜态沸腾的时间越短,即表面3更有利于核化沸腾的发生。为了分析不同复合表面上气泡核化的起始时间与气泡核化的位置,统计了图3中气泡核化位置附近的液氩温度以及沿着z方向的液氩分层温度演化情况。

图4展示了3种复合固体表面上不同区域液氩的温度随加热时间的变化趋势以及起始核化区域液氩的温度对比。液膜温度的统计区域如图4所示,区域1和区域 2的尺寸相同,均为7.07 nm×2.35 nm×1.57 nm,区域 3的尺寸为9.42 nm×2.35 nm×4.71 nm。3种不同纳米结构固体表面侧壁面上区域1和区域 2的液氩温度显著高于纳米凹腔内区域 3的温度,这表明亲水区域的传热效率高于疏水区域,导致液膜内部存在横向热量传递。此外,沿z方向,液氩内部还存在纵向热量传递。

图5展示了沿着液膜厚度方向的各液膜层的温度变化趋势。将液膜沿z方向分为4层,分别统计每一层的温度。对于复合表面3,气泡起始核化位置处于区域2。在t = 420 ps,自下到上每层的平均温度分别为:130.22、123.27、118.74、113.37 K。沿液膜厚度方向,固体表面区域2和液膜顶层的温差达到38.25 K;沿固体表面平行方向,区域2与区域3的液氩温度相差31.25 K。由此可知,液膜内部存在较大的温度梯度,使区域2的液膜内部聚集大量热量。局部热量聚集效应促使液膜下方的液体更早地发生气泡核化。随着热量的持续聚集,气泡胚核迅速长大,最终形成气膜,气膜将纳米液膜从纳米结构复合表面分离,最终触发膜态沸腾。对于表面1上的液膜,气泡起始核化位置位于区域2。在t=420 ps时刻,顶层与区域3液膜的平均温度分别为:105.52 K和115.69 K,顶层与区域2的温差为31.02 K;区域3与区域 2区域液氩的温差为20.86 K。对比复合固体表面 1和表面 3,可以发现表面3不仅液膜内部温差高于表面 1,核化区域平均温度同样高于表面1。表面 2在t = 420 ps时,气泡起始核化所在的区域1的液膜温度为143.70 K,顶层与区域1,及区域3与区域 1的温差分别为31.84 K和28.21 K。内部温度梯度越大,底层温度越高,局部热量聚集效应越强,其纳米液膜下方的液体更早出现气泡核化、生长及合并。因此,表面 3固体壁面更容易触发核化沸腾与膜态沸腾。

图6展示了通过固液界面传递的热流随加热时间的演化趋势。统计的热流是通过整个固液界面的热流。热流q的计算公式为^[28]

(3)

$\mathit{q}=\frac{\mathit{d}\mathit{E}}{\mathit{A}\mathit{d}\mathit{t}}$

式(3)中:A为固液接触面积;E为固体热壁面与氩原子交换的总能量。

针对不同纳米结构复合表面,通过固液界面的热流曲线整体上均呈现下降趋势。由图6可知,在3种复合表面中,具有倒梯形凹腔的固体表面传递的热流最大,其次是具有矩形和梯形凹腔的固体表面。这一结果验证了具有倒梯形凹腔的固体壁面,其固液接触的亲水区域面积更大,导致通过固液界面传递的热量更多,即在相同的时间内可以聚集更多热量。这表明,纳米结构表面,尤其是具有倒梯形凹腔的表面,具有最佳的传热性能和最快的温升速率。

图7展示了各个复合表面上起始核化时刻近壁面区域液体的温度分布云图。从图7可以看出,液体原子从固体壁面吸收热量,由于侧壁面固体原子与液体原子之间的相互作用强,侧壁面附近液体原子吸收的热量多,该区域液体的温度先升高,然后逐步向四周扩散。纳米凹腔区域固体原子与液体原子之间的相互作用较弱,该区域液体从热壁面吸收的热量较少,导致液体温度较低。这一结果表明,液体内部不仅沿着液膜厚度方向传递热量,还沿着与固体壁面平行方向的进行传递。局部热量聚集受沿液膜厚度和液膜横向两个方向温度梯度的共同影响。因此,从热量传递的角度出发,倒梯形纳米凹腔表面的侧壁面液体内部更容易发生局部能量聚集,从而促进气泡的核化与生长。

从原子能量角度来看,纳米尺度气泡的核化可以理解为液体原子所受的势能约束与原子动能之间的竞争关系^[29]。液体原子从固体壁面吸收热量,一部分用于增加原子动能,一部分用于克服液体原子受周围原子的势能约束。图8显示了在起始核化时刻,3种不同类型纳米结构复合表面上液体原子的动能(kinetic energy,Ke)、势能(potential energy, Pe)及总能量(E)分布云图。由图8可见,在起始核化时刻,侧壁面上方靠近固体表面区域的液体原子的动能明显高于其他区域。能量在该区域聚集,液体原子剧烈碰撞,导致该处液体原子更容易克服周围原子的势能约束,从而发生核化,形成气泡胚核。通过对比3种纳米结构复合表面上液膜的温度分布情况可以发现,沿液膜厚度方向,倒梯形纳米结构表面上液体原子动能高的区域相对集中,局部能量聚集效应更明显,其次为矩形和梯形纳米结构表面。然而,沿壁面平行的方向,液体原子的动能分布情况恰好相反。这一现象进一步表明,由于横向热量输运的存在,削弱了梯形纳米结构表面上液体的局部能量聚集效应。观察势能云图可以看出,倒梯形纳米结构表面侧壁面区域液体原子的高势能区域比较均匀,而梯形纳米结构表面侧壁面区域的高势能区域较小,这与动能分布相似。另外,总能量局部聚集现象在3种纳米结构上与动能分布呈相反趋势。由此可见,梯形纳米结构需要更多的时间来积累足够的能量以克服周围原子的势能约束,才能实现气泡核化。

综上表明,带有全部疏水性纳米凹腔的复合表面由于疏水性纳米凹腔内部热量传递效率较低,凹腔内聚集的热量无法满足气泡生长的需求。纳米结构表面侧壁面亲水光滑区域上气泡胚核的形成主要依赖于局部能量聚集。纳米凹腔的存在既影响侧壁面的固液接触面积,即侧壁面传热面积;又影响横向热量散失,使得局部能量聚集效应随纳米结构形态而发生变化。因此,表面1~表面3共3种纳米结构表面,倒梯形纳米结构复合表面3的起始核化时间最短,矩形纳米结构复合表面2次之,梯形纳米结构复合表面1所需的时间最长。

2.2 带有部分疏水性纳米结构的复合表面液膜的沸腾相变现象

如图9所示,在3种纳米结构表面,气泡胚核均在疏水界面上形成。与纳米凹腔全呈疏水性的情况相比,两类表面上的沸腾相变过程表现出显著的差异。首先,在带有部分疏水性纳米结构表面上,最初在纳米凹腔内部形成的气泡胚核均随着加热持续长大,直至气泡左右融合,触发膜态沸腾。其次,带有部分疏水性梯形、矩形和倒梯形纳米结构的复合表面上的起始核化沸腾时间分别为155、310、150 ps,其明显短于带有全部疏水性纳米结构表面的起始核化沸腾时间。梯形纳米结构表面和倒梯形纳米结构表面的起始核化时间几乎相同,但与矩形纳米结构表面相比,起始核化时间均缩短。另外,在梯形纳米结构表面上,疏水区域面积较小,气泡生长过程中几乎占据整个疏水区域。而在矩形和倒梯形纳米结构表面,尽管气泡胚核都在纳米凹腔底部形成,但其位置均靠近纳米结构的角落。为了更加清晰地理解上述现象的原因,仍从热量传递与原子能量的角度进行分析。

纳米结构的湿润状态对起始核化沸腾时间和起始核化位置的影响,可以通过分析不同湿润状态下液膜的温度变化来揭示。如图10所示,随着加热时间的增加,不同纳米结构复合表面3个区域的液氩温度均持续上升。在梯形纳米结构表面,3个区域的液氩温度几乎同步上升。在矩形纳米结构表面,核化区域的温度略低于侧壁面纯亲水表面区域液氩的温度。而在倒梯形纳米结构表面,纳米凹腔内液氩的温度显著高于侧壁面液氩温度。3种纳米结构凹腔内液体温升速率从高到低依次为倒梯形、梯形和矩形纳米结构,如图10(d)所示。在t=150 ps时,梯形、矩形和倒梯形3种纳米结构表面上核化区域液氩的平均温度分别为124.19、119.30、137.67 K。这说明核化区域即纳米凹腔内液体局部能量聚集效应最强的是倒梯形纳米结构表面,其次是梯形纳米结构表面,最后是矩形纳米结构。

局部能量聚集受多方面的影响,包括固液传热面积、固液原子相互作用和液膜内部热量扩散等因素。这些情况均受到纳米凹腔形态和固液原子相互作用的影响。与梯形纳米凹腔相比,倒梯形纳米凹腔亲水区域面积相同,且亲水固液界面传热效果显著强于疏水固液界面,因此纳米凹腔内热量传递效果基本相同。这一结果可以通过图11中的热流曲线得到验证。然而,由于纳米结构的封闭性不同,与梯形纳米凹腔相比,倒梯形纳米凹腔的热量聚集效应更强,即使具有相同的传热时间和传热面积,其凹腔内液体温度升高得更快。尽管两者的起始核化时间几乎相同,但梯形纳米结构表面触发起始核化沸腾的温度更低,这表明液膜发生核化不仅与局部液体能量聚集有关,还与原子所受的势能约束有关。部分疏水性矩形纳米结构复合表面的起始核化沸腾时间最长。从图11可以清晰观察到,矩形纳米结构表面传热效率最低。另外,矩形凹腔的封闭性较差,导致其内部局部能量聚集效果也较差,液体温升速率较慢,触发核化沸腾所需的时间更长。

图12展示了3种部分疏水性纳米结构表面上液膜在起始核化时刻的动能、势能与总能量云图。起始核化沸腾时间主要取决于气泡胚核是否获得足够的能量以克服周围原子的束缚。在纳米凹腔疏水区域,由于固液相互作用较弱,液氩原子只需要较少的能量就可以挣脱固体原子的束缚,从而在疏水区域表面形成气泡胚核。从图12可以看出,起始核化时刻,梯形纳米结构表面附近液氩的动能较低,纳米凹腔底部的疏水面积较小,液体原子克服周围原子初始势能约束形成气泡胚核后,通过纳米凹腔两侧导入的热量很快传递给气泡胚核,促使其继续长大,从而导致梯形纳米结构表面在较低的温度下就可以触发核化沸腾。倒梯形纳米结构局部能量聚集效应最强,纳米凹腔聚集的能量主要来源于凹腔侧面导入的热量。倒梯形纳米凹腔封闭性强,能够短时间内聚集大量热量,使液氩原子动能快速提升,挣脱原子束缚,形成气泡胚核并继续长大。矩形凹腔侧面的距离较远并且传热面积较小,削弱了局部能量聚集效应,导致触发核化沸腾需要更长时间。

综上表明,带有部分疏水性纳米结构的复合表面中,疏水性纳米凹腔底部的固液相互作用较弱,利于气泡胚核的形成。同时,纳米凹腔侧壁面传递的热量不仅促进了气泡胚核的形成,还维持了其生长,最终触发核化沸腾。纳米凹腔的结构形态决定局部能量聚集效应。因此,底部呈疏水性的纳米结构复合表面的起始核化时间均比带有全部疏水性纳米结构的复合表面短。尤其是带有部分疏水性的倒梯形和梯形纳米结构复合表面,更有利于触发起始核化沸腾。

3 结论

采用分子动力学研究了液膜在纳米结构复合表面上的核化沸腾传热特性。研究中使用了两组固体加热基底进行对比:一组为纳米凹腔均为疏水性,另一组仅凹腔底部呈疏水性。从分子层面揭示了纳米结构与混合浸润性耦合影响核化沸腾的内在机理。模拟结果表明:液膜起始核化沸腾取决于液体原子克服周围原子势能约束与局部能量聚集效应两个方面。对于纳米凹腔均为疏水性的复合表面,气泡核化位置发生在亲水光滑侧表面区域,3种形态复合表面上液膜的起始核化时间从长到短依次为梯形、矩形和倒梯形结构表面。这是由于纳米结构形态影响侧壁面亲水区域的传热面积与液膜内部的横向散热。而对于带有部分疏水性纳米凹腔的复合表面,由于疏水区域为气泡核化提供了有利条件,起始核化沸腾所需的时间均比带有全部疏水性纳米凹腔的表面显著缩短,尤其是梯形和倒梯形纳米结构表面。梯形结构复合表面由于疏水面积较小,纳米凹腔两侧的传热面积增大,且从凹腔两侧导入的热量快速聚集在疏水区域,触发核化沸腾。倒梯形结构则集中了传热效率高和散热慢的双重优势,凹腔内液膜温度迅速升高,有利于核化沸腾。

参考文献

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