超稀释浓度混合纳米流体改善水平加热管池沸腾传热性能的数值研究

《Next Energy》：Numerical study of the impact of ultra-dilute concentration hybrid nanofluid on improving pool boiling heat transfer from a horizontal heated tube

　　

高效热管理对于高功率电子设备和工业换热器至关重要，其中池沸腾作为一种高效的冷却机制发挥着关键作用。尽管实验研究已取得一定进展，但关于超稀释混合纳米流体（HNF）浓度对沸腾性能和气泡动力学影响的数值研究仍十分匮乏。本研究旨在探讨将混合纳米颗粒（CeO?-MgO和CeO?-SiO?）分散在去离子水（DI water）中，在超低浓度（<0.1 vol%）下，能否通过改变流体性质和界面相互作用显著增强传热性能的假设。研究人员开发了一个稳健的数值框架，采用欧拉-欧拉（Eulerian-Eulerian）多相方法，并结合改进的伦斯勒理工学院（RPI）沸腾模型和有限体积法。作为核心贡献之一，研究人员提出了基于物理原理的传热系数（HTC）、气泡脱离直径和活化成核点密度（NA）的新关联式。结果表明，增加纳米颗粒浓度促进了蒸汽生成，并显著提高了活化成核点密度，使沸腾曲线向更高性能方向移动。值得注意的是，浓度为0.1%的CeO?-MgO HNF相较于纯去离子水实现了33.3%的最大传热增强。这些发现建立了一个预测框架，弥补了基础沸腾物理学与实际冷却硬件设计之间的差距。

论文解读

研究背景与意义

随着微电子技术的快速发展和工业组件热通量密度的不断增加，对高效热管理系统的需求日益增长。核态池沸腾因其在相变过程中具有高潜热交换效率，成为最有效的被动冷却机制之一，广泛应用于工业蒸发器到紧凑型换热器等领域。然而，目前关于纳米流体浓度对池沸腾特性影响的研究尚未得出一致性结论，且针对超稀释混合纳米流体（HNF）浓度如何影响水平管表面气泡动力学的机理理解仍然有限。以往的数值验证未能充分解决HNF在超稀释状态下的协同潜力。因此，研究人员通过开展数值模拟，探讨两种特定的HNF组合（CeO?-SiO?/DI水和CeO?-MgO/DI水）在0.01%、0.05%和0.1%三种体积浓度下的热传递行为，以期填补这一空白，并为下一代热管理提供理论支撑。该论文发表于《Next Energy》。

主要关键技术方法

为实现上述研究目标，研究人员采用了计算流体动力学（CFD）方法，利用ANSYS Fluent 2023 R2软件进行瞬态数值模拟。首先，构建了三维欧拉-欧拉多相流框架，将HNF建模为具有有效热物理性质的单相拟均质混合物，并作为主相与气相进行耦合求解。其次，选用标准k-ε湍流模型结合Troshko-Hassan模型以捕捉气泡诱导的湍流效应，并通过Ishii曳力、Tomiyama升力及Antal壁面润滑力等多界面力模型精确描述相间动量交换。在壁面沸腾模型中，采用改进的RPI（Rensselaer Polytechnic Institute）模型，将总热通量分解为对流热通量、淬火热通量和蒸发热通量。特别引入Li等人的改进关联式，将接触角（θ）和表面粗糙度（Ra）纳入活化成核点密度（NA）的计算中，并利用Phan等人的关联式将气泡脱离直径（dw）与表面润湿性相关联。此外，研究人员通过网格独立性验证，最终选定8,053,280个单元的混合网格以确保计算精度与资源消耗的平衡。

研究结果

模型验证

通过与已有的实验数据和经典数值模型进行对比，验证了扩展RPI模型的准确性。结果显示，数值模拟得出的去离子水及HNF的沸腾曲线与实验结果吻合良好。相对均方根误差（rRMSE）仅为8.6%，表明该模型能较好地预测HNF在核态沸腾区的气泡逃逸行为及相关参数变化。

纳米流体对沸腾曲线的影响

数值结果表明，添加混合纳米颗粒显著提升了池沸腾的传热性能。所有测试浓度（0.01%、0.05%和0.1%）下的沸腾温度均高于去离子水，且随着浓度的增加，沸腾曲线斜率增大，传递相同热通量所需的过热度（ΔT）降低。在100 kW/m2的热通量下，0.05%体积分数的混合液传热性能提升约11.5%。其中，CeO?-MgO/DI水的表现优于CeO?-SiO?/DI水，归因于两者不同的热物理性质。在0.1%浓度下，CeO?-MgO HNF的池沸腾传热系数（hPB）达到8.85 kW/m2K，较纯水最高提升达33.3%。

纳米颗粒对气泡动力学的影响

纳米颗粒的加入改变了气泡动力学特征。随着浓度和壁面过热度的增加，气泡脱离直径（dw）显著增大。在0.1%浓度下，CeO?-SiO?混合液的脱离直径比CeO?-MgO混合液和去离子水分别大10%和49%。这是由于壁-液界面的粘附力增加，延迟了气泡脱离直至浮力占主导。相应地，气泡脱离频率（f）随纳米颗粒的加入而降低，符合质量与能量守恒定律。尽管活化成核点密度（NA）因纳米颗粒填充微腔而略有减少，但气泡脱离直径的增大和纳米增强流体运动引起的对流换热增强，共同补偿了这一损失，从而提升了整体HTC。

纳米流体对蒸汽体积分数的影响

可视化分析显示，HNF形成了更稳定、有组织的蒸汽羽流。在低过热度下，早期蒸发产生小而离散的气泡；而在高热通量下，气泡聚结形成独特的蘑菇状形态。HNF的气泡速度高于去离子水，这归因于纳米颗粒沉积导致气泡直径减小及脱离频率增加。CeO?-MgO/水在0.05%浓度下表现出更快的蒸汽室出口到达速度，其较高的Ra/dp比率有助于增加成核点密度，促进气泡从加热表面分离。这种各向同性的分布防止了厚绝缘蒸汽层和热边界层的过早形成，维持了稳定的液体-表面接触。

纳米流体对水流速度的影响

水流速度分析表明，随着热通量增加，加热表面的水流速度显著提升，并在绝热壁附近因热动量降低而减弱。纳米流体浓度的增加增强了垂直轴向上的水流速度。当接触角从14°变化至40°时，表面润湿性降低，进一步增加了水流速度。强烈的流体运动破坏了热边界层，防止热量在表面上方积聚，并通过涡旋下方的冷流体置换改善了冷却性能，从而控制了表面温度并提高了HTC。

预测关联式的建立

基于数值数据集，研究人员开发了高精度经验关联式，用于预测水/CeO?-SiO?和水/CeO?-MgO纳米流体的池沸腾系数。这些关联式以热通量（q）和纳米颗粒浓度（φ）为变量，涵盖了HTC、气泡脱离直径（Db）和活化成核点密度（NA）。回归分析显示，决定系数（R2）均高于0.985，证实了模型的高拟合优度。

总结与讨论

本研究成功建立并验证了一个三维数值模型，深入揭示了超稀释CeO?-MgO/DI水和CeO?-SiO?/DI水HNF在池沸腾中的强化机制。研究表明，即使在极低体积浓度（<0.1 vol%）下，HNF也能通过增强微对流和协调的蒸汽脱离机制显著提高HTC，其中CeO?-MgO/DI水在0.1%浓度下实现了33.3%的最大增强。此外，HNF促进了稳定蘑菇状蒸汽羽流的形成，并诱导高达8.93 m/s的高速流体运动，这对防止过早干烧和维持热稳定性至关重要。将Li等人的活化成核点密度模型集成到欧拉-欧拉框架中，相比传统模型展现出了更优越的预测精度。总之，该研究不仅阐明了超稀释HNF强化沸腾的物理机理，还提供了一套基于物理原理的关联式，为工程设计和实际冷却硬件应用搭建了坚实的桥梁。