《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Multiscale interfacial dynamics in evaporation and boiling: A critical review of governing factors and heat transfer mechanisms
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本文系统综述了液态蒸发与沸腾过程中多因素对相变传热的影响机制，涵盖液体性质、薄膜厚度、添加剂类型及外部参数（温度、压力、场效应、基体特性）等内部与外部因素，结合分子动力学模拟揭示非平衡界面传热机制与界面压力效应，建立了三相接触线关键区域的理论模型，并整合了宏观实验、计算流体力学及AI/ML辅助的建模方法，为微电子冷却和航天系统热管理提供理论支撑。
付海宇|周乐平|杜晓泽
华北电力大学能源、动力与机械工程学院，北京102206，中国
摘要
液体蒸发和沸腾在自然界和工业应用中无处不在，然而对多因素对相变传热影响的系统理解仍然难以捉摸。液体发生相变的能力主要取决于界面处的热传递和质量传递。本综述首次全面综合了不同尺度下的控制因素，从宏观实验到分子动力学模拟，对内部元素（液体性质、膜厚度、均匀/非均匀添加剂）和外部参数（温度、压力、外部场、基底特性）进行了深入分析。通过整合多尺度方法，包括揭示非平衡界面热质传递机制和分离压力效应的新分子动力学模型，阐明了每个因素如何促进或抑制相变。重要的是，本文确立了作为界面传输关键区域的三相接触线，并系统地整合了液滴模型方法。此外，本文还探讨了因素之间的协同作用以及未解决的挑战，为从微电子冷却到航空航天系统等各种应用中的热工程设计提供了基本见解。
引言
蒸发传热是自然系统中普遍存在的现象，在多种工程应用中发挥着关键作用。这些应用包括蒸汽生成[1]、[2]、海水淡化[3]、嵌入式芯片冷却[4]、废水处理[5]、建筑热舒适性[6]、电压转换/逆变器冷却[7]、[8]以及闪蒸冷却[9]、[10]。诸如热管毛细蒸发、微通道环流和直接液体蒸发等过程不可避免地涉及微米/亚微米级的液膜蒸发[11]、[12]。沸腾传热是一种高效的热管理策略，广泛应用于能源生产、化学加工、航空航天系统和电子冷却[13]、[14]、[15]等领域。Nukiyama在1934年的基础性工作通过大空间沸腾研究建立了经典的饱和沸腾曲线，使得这种快速传热模式得以定量描述。至关重要的是，气泡下方的微液层是传热增强的关键区域，其受气体-液体-固体三相接触线处复杂的多相传输现象控制[17]。虽然蒸发和沸腾都属于液相转变，但蒸发在热力学条件适中时是渐进的，而沸腾则是一个需要更严格热力学驱动力的突然过程，尤其是在微观尺度上。相变机制的复杂性跨越了多个物理尺度和学科[18]。
相变分析通常在不同尺度上采用不同的方法框架。宏观研究依赖于通过精心设计的实验观察到的现象，并进行现象学解释。如图1(a)所示，这种方法捕捉了系统级行为。同时，计算资源的进步使得大规模计算流体动力学（CFD）模拟成为可能，这些模拟使用基于连续介质的Navier-Stokes公式来描述流体流动和传热[19]。然而，宏观方法无法解析诸如气泡成核动力学和生长动力学等关键微观机制，而这些机制是相变所固有的[20]。相比之下，格子Boltzmann方法（LBM）通过结合颗粒动力学来桥接宏观和微观尺度，同时恢复连续介质行为。自20世纪90年代以来，LBM已被广泛用于热/质传递和多相流研究，尽管方法发展仍面临持续挑战[21]、[22]。此外，还有其他介观模拟方法，如直接模拟蒙特卡洛和格子气体自动机方法。计算科学的进步，特别是2013年诺贝尔化学奖对多尺度建模的认可以及2024年诺贝尔物理学奖对机器学习增强模拟的认可[23]、[24]，现在允许通过分子动力学模拟（MDS）进行原子级分辨率分析。这种计算范式通过明确模拟分子相互作用，提供了对相变机制的基本见解。三种尺度之间的相似性和差异，以及跨尺度耦合的方法和机制，在表1中进行了简要总结。
在所有研究尺度（实验和计算）中，研究人员通过参数敏感性研究来量化相变效率，这是基础研究和热系统设计的关键指标。尽管现有综述讨论了相变增强技术、气泡动力学、传热建模和多尺度方法，但缺乏对控制因素的系统综合。本文通过多尺度视角全面分析了影响液相转变的因素。图1(b)展示了综述框架：我们首先整合了热力学关键的三相接触线区域的建模方法和数值解。随后，将影响因素分为内在液体性质（热物理特性、膜厚度、均匀/非均匀添加剂）和外在参数（温度、压力、外部场、基底性质/结构）。每个因素都经过了严格的宏观到微观的分析，以了解其对相变的机制影响，并结合了最新的研究进展。实际建议增强了研究人员的基本理解，有助于热设计师优化应用可行性。
章节摘录
接触线区域的界面传输建模与测量
在沸腾传热中，气泡会引发各种流动和传热模式，包括气体-液体界面处的蒸发、由于气泡生长和脱离而产生的气泡附近微对流、由气泡运动引起的宏观对流，以及气泡底部微液层的蒸发[28]。图2(d)展示了这个微液层，包括气泡基底过渡区和内在液滴区域。
液体性质
液体性质，如热力学性质、迁移性质和界面性质，是决定蒸发/沸腾强度的关键因素[46]。表2总结了液体性质对蒸发/沸腾的影响。
环境温度
基底和环境温度是控制液相转变方式和强度的重要参数。宏观上，通过外部加热源或恒温浴实现精确的温度控制，而MDS则使用Nose-Hoover和Langevin等恒温器进行纳米级调节[234]、[235]。温度变化通过不同的阈值行为决定了相变模式：在临界基底温度以下，AI/ML在蒸发和沸腾研究中的应用
随着计算科学的快速发展，人工智能（AI）和机器学习（ML）正以前所未有的深度和广度融入传统物理科学和工程领域。在涉及复杂、非线性和多尺度过程的相变传热研究中，这种技术融合展现了巨大潜力[427]、[428]。传统上，蒸发和沸腾的研究主要依赖于经验或半经验方法结论与未来展望
本文综合了关于影响液体蒸发和沸腾现象的因素的实验和模拟见解。通过系统地分析内部因素（液体性质、液膜厚度、均匀/非均匀添加剂）和外部因素（环境温度、环境压力、外部场、基底性质和结构），我们建立了影响相变动态的基本机制。本综述整合了相关建模方法
CRediT作者贡献声明
付海宇：撰写——初稿、可视化、形式分析、概念构思。周乐平：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。杜晓泽：撰写——审稿与编辑、监督、方法论研究、概念构思。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52376053）的财政支持。
