亲疏水性对池沸腾传热影响的格子Boltzmann方法研究
亲疏水性对泡沫金属池沸腾换热特性的影响
第一作者：林石泉（1984—），男，博士，linshiquan@
基金项目：国家自然科学基金项目（51976115）；上海市科技创新行动计划项目（19142203000）
引用本文：林石泉, 赵雅鑫, 吕中原, 赖展程, 胡海涛 . 亲疏水性对泡沫金属池沸腾换热特性的影响[J]. 化工学报, 2021, 72(S1): 295-301
while hydrophilic modification has no significant effect on the onset of nucleate boiling. Hydrophobic metal foams
and hydrophilic metal foams have the optimum pool boiling heat transfer performance under low heat flux (q<4×105
在低热通量 （q<4×105 W/m2） 和高热通量 （q≥4×105 W/m2） 条件下具有最佳的沸腾换热性能；表面改性对于低孔
隙率泡沫金属内池沸腾强化换热效果更加显著，且亲水改性的强化效果优于疏水改性。
关键词： 泡沫金属；亲水性；疏水性；池沸腾；传热
中图分类号： TK 172
文献标志码： A
文章编号： 0438-1157 （2021） S1-0295-07
Abstract: As aircraft and spacecraft continues to evolve toward higher performance, the compactness and heat
dissipation efficiency of thermal control system need to be improved. Metal foam has great potential in the
疏水表面流体流动特性的格子Boltzmann方法模拟
疏水表面流体流动特性的格子Boltzmann方法模拟黄桥高;潘光【摘要】采用格子Boltzmann方法研究了微形貌对固体表面润湿性的影响，在此基础上进一步模拟了具有微形貌的疏水表面通道内的流体流动，从法向速度、剪应力、滑移速度等角度分析了疏水表面的流场特性，揭示了疏水表面滑移流动的产生机制。
结果表明，疏水表面的滑移流动是由低表面能作用和微形貌共同引起的。
具有微形貌的疏水表面比光滑疏水表面具有更好的减阻效果，原因在于微形貌能够驻留气体，形成的气液自由剪切面加剧了疏水表面的滑移流动，最大滑移速度可以达到主流平均速度的50%左右。
%The influence of microcosmic topography on the surface wettability is investigated using a lattice Boltzmann method, and then the liquid flow over hydrophobic surfaces with microcosmic topography is sim-ulated in a microchannel. From aspect of normal velocity, shear stress and slip velocity, the flow field char-acteristics of hydrophobic surfaces are analyzed and the generation mechanism of hydrophobic surfaces’ slip flow is revealed. The simulation results show that hydrophobic surfaces’ slip flow is caused by the low surface energ y effect and microcosmic topography together. Hydrophobic surfaces with microcosmic topog-raphy have a better drag reduction effect than smooth hydrophobic surfaces. The reason is that the micro-cosmic topography can retain gas and generate gas-liquid free shear surfaces, which can enhance hydropho-bic surfaces’ slip flow and make the maximum slip velocity reach about 50% of the average speed of main-stream.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2016(020)010【总页数】8页(P1211-1218)【关键词】疏水表面;格子Boltzmann方法;微形貌;滑移流动;减阻【作者】黄桥高;潘光【作者单位】西北工业大学航海学院，西安 710072;西北工业大学航海学院，西安 710072【正文语种】中文【中图分类】O357.5在经典宏观流体力学的教科书和科技论文中，几乎都有一个相同的假设：在固体和流体的交界面上没有滑移，即固体和流体在交界面上没有相对运动，这就是所谓的无滑移边界条件。
基于格子Boltzmann方法的疏水表面润湿性数值模拟
基于格子Boltzmann方法的疏水表面润湿性数值模拟∗黄桥高;潘光【摘要】润湿性对固体表面上液体的各种动力学行为具有重要影响，疏水表面的特殊润湿性是其在减阻、降噪、防污等领域有着广泛应用前景的根本原因。
基于Shan-Chen模型的格子Boltzmann方法对疏水表面润湿性进行数值模拟，获得了材料属性和微形貌对疏水表面润湿性的影响规律。
研究表明，要使疏水表面处于Cassie-Baxter 润湿状态，微形貌高度必须大于某一临界值，而当疏水表面一旦处于 Cassie-Baxter 润湿状态后，继续增加微形貌高度也不会提高其疏水性能；疏水表面的表观接触角随气液界面分数先增大后减小，且存在一个最佳的气液界面分数使表观接触角达到最大。
%Wettability has an important influence on the dynamic behavior of liquid on a solid surface.The spe-cial wettability is the fundamental reason that hydrophobic surfaces are widely applied in drag reduction,noise reduction,antifouling and so on.In this paper,the wettability of hydrophobic surfaces is simulated by lattice Boltzmann method based on Shan-Chen model,and effect of the material property and microcosmic topography on wettability of hydrophobic surfaces is obtained.The simulation results show that in order to make hydropho-bic surfaces under Cassie-Baxter wetting state,the height of microcosmic topography must be greater than a critical value.Once hydrophobic surfaces are under Cassie-Baxter wetting state,increasing the height of micro-cosmic topography does not improve its hydrophobicity.The apparent contact angle of hydrophobic surfaces first increases and then decreases when the gas-liquid interface fraction increases,and there is anoptimum gas-liquid interface fraction so that the apparent contact angle is maximized.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】6页(P10023-10028)【关键词】疏水表面;格子Boltzmann方法;材料属性;微形貌;润湿性【作者】黄桥高;潘光【作者单位】西北工业大学航海学院，西安 710072;西北工业大学航海学院，西安 710072【正文语种】中文【中图分类】O3681 引言润湿性是固体表面的重要特征之一，主要由材料属性和微形貌共同决定［1-4］。
基于格子Boltzmann方法的复合材料微尺度传热特征研究解读
基于格子Boltzmann方法的复合材料微尺度传热特
征研究
过去的20年来随着半导体技术和微/纳电子机械系统(Micro ElectroMechanical Systems)技术的飞速发展,微/纳米器件与结构的力-热-磁-电多场耦合行为得到人们的广泛关注。
大量试验表明,当系统尺度微细化以后,其传热规律与常规尺度下的不同。
即会出现所谓的尺度效应。
散热问题成为影响微/纳米器件与结构性能的关键因素之一。
本文基于玻尔兹曼(Boltzmann)输运理论及相关的格子Boltzmann方法首先给出了计算热传导问题的格子Boltzmann方法二维九速不可压缩热模型以及恒温、绝热、热阻边界条件的处理方式。
在此基础上探讨了圆形,椭圆形,矩形的1-3型复合材料的传热特征和等效热导率等。
研究了夹杂材料在横向谐变磁场下产生涡电流时的热传导和导体内部有电场时的热传导问题。
讨论了考虑接触热阻情况下圆形,矩形夹杂的
1-3型复合材料的传热特征和等效热导率等,给出了给定时刻下,结构上的温度分布特征,以及不同组分比,不同反射系数δ对有效热传导系的影响。
模拟了微纳米尺度下夹杂复合材料的传热特征,以及热导率与结构尺寸和反射系数δ的变化关系和结构内温度的分布特征。
通过本文对纳米结构材料传热的研究表明,格子Boltzmann方法是一种有效的研究微纳米尺度传热问题的数值方法。
尺寸效应和接触热阻是影响有效热导率的重要因素。
【关键词相关文档搜索】：固体力学; 微尺度传热; 格子Boltzmann方法; 有效热导率; 接触热阻; 尺寸效应
【作者相关信息搜索】：兰州大学;固体力学;高原文;冯蕾蕾;。
流动沸腾的格子boltzmann方法模拟
流动沸腾的格子boltzmann方法模拟随着科学技术的不断发展，对复杂流体动力学过程的研究以及对快速过程的模拟变得更加重要，由于大多数过程都是多尺度耦合的，而且有一个高度不确定的初始条件，因此传统的办法往往很难分析以及模拟。
格子Boltzmann方法（LBM）是一种计算流体机械系统的模拟方法，它允许将多物理学过程直接耦合在一起，同时也满足计算机能力的限制。
在过去的几十年里，格子Boltzmann方法已经成功应用于各种复杂系统中，并且得到了广泛的应用。
在本文中，我们将重点关注格子Boltzmann方法模拟流动沸腾过程。
流动沸腾过程是指流体作为一个定常动态系统，当流体间的温度波动超过沸点时，出现蒸发和汽化的共同现象。
在实际的工程应用中，这种现象可以被用来模拟大气中的蒸发和汽化过程，也可以用来模拟熔炼过程中的熔融气体的性质，当物体在极端条件下的表面上出现沸腾时，也可以用来模拟这种情况。
格子Boltzmann方法是一种经典的集总体方法，通常是将空间区域划分为多个格子大小的单元格，然后模拟每个单元格内流体粒子的运动方式。
首先，根据Boltzmann方程，定义系统中每个单元格内流体粒子的分布函数，然后根据撞击原理，建立系统的碰撞模型，最后，利用快速Fourier变换（FFT）计算出每个单元格的空间和时间变化，最终得到系统中流体粒子分布函数的空间和时间变化，从而模拟出系统的动力学过程。
格子Boltzmann方法模拟流动沸腾过程的优势在于它可以解决复杂的动力学问题，在流动沸腾过程中，可以使用格子Boltzmann方法考虑到热传导和蒸汽压力的影响，同时考虑到蒸发和汽化等热力学效应，从而得到较准确的结果。
此外，采用格子Boltzmann方法模拟流动沸腾过程，具有计算效率高、可靠性高、精度高的优势。
由于上述优点，格子Boltzmann方法在模拟流动沸腾过程方面已经取得了许多成功的应用。
例如，Zhao等对水汽-气体混合流动的二相沸腾过程进行了模拟，他们利用格子Boltzmann方法模拟了水汽-气体混合的沸腾过程，比较了侧向温度波及其在慢一点的过程中的水汽沉积速率，并表明其模拟结果良好，与实际的实验结果相一致。
格子-Boltzmann方法及其在常规与微尺度对流换热模拟中的应用
υm υr υ r'
V x X y Y ∆x ∆t
希腊字母
α θ
Θ
体胀系数，K 无量纲温度 运动粘度，m /s 密度，kg/m
3 3 2 -1
平面角，rad
ν ρ ρ0 λ τe τm dτ dτ v γ σ σv τ
dΩ ∇
参考密度，kg/m 内能驰豫时间 动量驰豫时间 体积微元 速度间隔 比热容率 分子直径，m 滑移系数
分子的平均自由程，m
驰豫时间，碰撞间隔 立体角，sr 哈密顿算子
-V-
西安交通大学硕士学位论文
特征数
Nu Nu Kn Ra Re Ma Pr
Nusselt 数， hl 平均 Nusselt 数 Knudsen 数， λ l （ λ 为分子的平均自由程） Rayleigh 数， gl Reynolds 数， vl
2 3 2 2
2
西安交通大学硕士学位论文
v g v v'
分子速度矢量，m/s 加速度，m/s
2
碰撞后粒子的速度，m/s 分子平均速度，m/s 两粒子碰撞前的相对速度，m/s 两粒子碰撞后的相对速度，m/s 沿 y 方向的无量纲速度 笛卡尔坐标，m 无量纲坐标 笛卡尔坐标，m 无量纲坐标 格子步长 时间步长
1.1 1.2 1.3
绪论………………………………………………………1
研究背景及意义………………………………………………1 文献综述………………………………………………………2 本文所做的工作………………………………………………9
2
2.1 2.2 2.3 2.4
格子-Boltzmann 方法理论基础………………………11
统计物理学概述………………………………………………11 Boltzmann 方程的简单推导…………………………………12 格子自动机的基本原理 ………………………………………18 碰撞间隔理论与 LBGK 模型…………………………………18
热格子-Boltzmann模型非均匀网格算法及应用
撞、统计、迁移。迁移后得到直角坐标系下分布。 （３）计算迁移步后在Ｋ方向的分布在直角坐标
磁流体是一种具有磁性的功能流体，近来被广 泛应用阳］。磁流体环路系统是一种自循环系统，
系的坐标（ｚｉｔ，可：），（ｚ：＝Ｘｉ＋ｅ。ｋ，Ⅳ；＝Ｙｊ＋ｅ：）。
如图１所示。冷端和热端定温，其他边界采用绝热
通过坐标变换求得曲线坐标下的值（Ｅ。ｔ，叩；）。 （４）在曲线坐标系下求出点（毛，叩ｊ）的插值系
Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｎｏｎ—Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｍｅｓｈ Ｇｒｉｄ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ，２００３，２４（１）：７３—７５ ［５】郭照立，郑楚光，李青，等．流体动力学的格子一Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ 方法．武汉：湖北科学技术出版社，２００２．７９ １１５ ＧＵＯ Ｚｈａｏ－Ｌｉ，ＺＨＥＮＧ Ｃｈｕ—Ｇｕａｎｇ，ＬＩ Ｑｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｌａｔ— ｒｉｃｅ Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ．Ⅵ＾】ｈａｎ： Ｈｕｂｅｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｅｓｓ，２００２．４５ １ １９ ｆ６１ Ｋｕｅｈｎ Ｔ，Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ Ｒ．Ａｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎｄ Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＮａｔＵｒａｌ Ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ａｎｎｕｌｉ １８ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｃｙｌｉｎｄｅｒ．Ｊ．Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．，１９７６，７４： ６９５－７１９ 『７１ Ｏｄｅｎｂａｃｈ Ｓ．Ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄｓ．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００２ 『８１ Ｎｅｔｈｅ Ａ，Ｓｃｈｏｐｐｅ Ｔ，Ｓｔａｈｌｍａｎｎ Ｈ．Ｆｅｒｒｏｆｌｕｉｄ Ｄｒｉｖｅｎ ＡＣ－ ｔｕａｔｏｒ ｆｏｒ ａＬｅｆｔ Ｖｅｎｔｒｉｃａｌ Ａｓｓｉｓｔ Ｄｅｖｉｃｅ．Ｊ．Ｍａｇｎ．Ｍａｇｎ． Ｍａｔｅｒ．．１９９９．２０１：４２３ ４２６
超疏水亲水性结构表面流动沸腾传热实验研究
bubbles on the hydrophilic surface was shorter, and no obvious bubble coalescence occurred.
第一作者：姜洪鹏（1995—），男，硕士研究生，jianghp1995@
基金项目：国家自然科学基金项目(51876027,51806028,51806029);中央高校基本科研业务费专项资金(DUT19JC09)
引用本文：姜洪鹏, 白敏丽, 高栋栋, 高林松, 吕继组 . 超疏水/亲水性结构表面流动沸腾传热实验研究[J]. 化工学报, 2021, 72(8): 4093-4103
JIANG Hongpeng, BAI Minli, GAO Dongdong, GAO Linsong, LYU Jizu
(School of Energy and Power Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China)
Key words: microscale; gas-liquid flow; heat transfer; superhydrophobic; superhydrophilic
收稿日期：2020-12-23
修回日期：2021-04-19
通信作者：白敏丽（1962—），女，博士，教授，baiminli@
Abstract: The laser ablation method is used to prepare four superhydrophobic/hydrophilic regular microarray
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亲疏水性对池沸腾传热影响的格子Boltzmann方法研究
微尺度沸腾传热机理及其强化技术的研究已经成为目前国际传热界关注的热点。
汽-液-固三相接触线区域的表面润湿特性(即亲疏水性)是强化微细尺度传热的关键。
然而,采用实验方法研究亲疏水性对沸腾传热的影响时难以避免粗糙度等的干扰,使得实验结论受到质疑。
现存的宏观数值模型则存在不能研究沸腾汽泡成核过程等缺陷。
针对这些问题,本文提出一个基于介观格子Boltzmann方法的汽液相变数值模型并采用该模型研究亲疏水性对池沸腾传热的影响。
具体的研究内容包括:1.改进的格子Boltzmann方法两相流模型研究。
在Shan-Chen模型的基础上,提出一个新的粒子间作用力形式并结合精确差分法引入作用力,构建了一个改进的格子Boltzmann方法两相流模型。
这一模型可以显著改善数值精度和数值稳定性,而且能避免数值结果对松弛时间的非物理依赖。
为了验证模型的可用性,采用该模型研究了液滴在具有润湿梯度的表面上的运动、合并以及分裂行为,探讨了液滴在润湿梯度驱动下的运动机理。
2.基于格子Boltzmann方法的汽液相变模型研究。
在本文提出的改进的格子Boltzmann方法两相流模型基础上,引入能量方程模型,推导了能量方程源项表达式,构建了一个基于格子Boltzmann方法的汽液相变数值模型。
该汽液相变模型不需要精确追踪界面,汽液相变通过由真实气体状态方程所决定的热力学关系(即压力、温度和密度的关系)实现。
作为一种真正意义上的汽液相变直接数值模拟方法,该模型在计算沸腾问题
时不需要初始化存在小汽泡,可以模拟包含成核过程在内的整个汽液相变过程。
应用该模型,研究了微加热器(点热源)上的池沸腾传热过程。
数值结果表明微加热器可能呈现出与宏观加热面不同的池沸腾特性。
首次通过数值模拟得到了成核时间、成核温度等沸腾成核过程中的重要信息,并研究了亲疏水性对微加热器上池沸腾过程的汽泡成核时间、成核温度等的影响。
3.纯亲水/疏水表面上润湿性对池沸腾传热的影响研究。
采用提出的格子Boltzmann方法汽液相变模型研究了光滑的纯亲水/疏水表面上的池沸腾传热。
模拟中采用有限厚度的加热面,即考虑了加热面中的导热过程。
数值结果表明,饱和池沸腾中汽泡脱离直径随接触角和过热度的增加而增加。
亲疏水加热面存在明显不同的汽泡脱离形态:在亲水表面上整个汽泡脱离加热面而疏水表面上汽泡脱离时会留下一个小汽泡作为下一个汽泡周期的成核点。
因而,亲水表面上的汽泡周期中存在等待阶段(waiting period)而疏水表面上的汽泡周期中则不存在等待阶段。
疏水表面上的这一汽泡脱离形态有利于提升沸腾传热量。
数值结果还表明亲疏水表面存在不同的沸腾传热机理:亲水表面上整个汽泡下方存在一个微液层,微液层的蒸发(microlayer evaporation)是重要的传热机理;疏水表面上汽泡下方不存在微液层(随着壁面润湿性的减弱,也就是随着接触角的增加,微液层会逐渐消失),三相线区域具有最低的局部温度和最高的局部热流密度,汽-液-固三相接触线区域的传热(three-phase contact line heat transfer)是重要的传热机理。
采用提出的格子Boltzmann方法汽液相变模型,首次通过数值模拟得到了亲疏水加热面上从自然对流区经核态沸腾区、过渡沸腾区直至膜态沸腾区的沸腾传
热曲线,捕捉到了沸腾曲线上的核态沸腾起始点(ONB)、临界热流密度点(CHF)和Leidenfrost点。
4.亲疏水混合表面对池沸腾传热的强化研究。
采用提出的格子Boltzmann方法汽液相变模型研究了光滑的亲疏水混合表面上的池沸腾传热。
采用数值模拟,可以排除粗糙度的干扰而单独研究亲疏水性的作用,揭示亲疏水混合表面对池沸腾传热的强化机理。
模拟结果表明,亲疏水混合表面上的疏水区作为汽泡成核点,可以有效促进汽泡成核并提高沸腾传热量。
亲水区则可以限制疏水点上汽泡基圆直径(或三相接触线)在加热面上的铺展,从而有望提高临界热流密度。
在亲疏水混合表面上,存在汽泡成核的疏水区域的局部热流密度高于不存在汽泡成核的亲水区域的局部热流密度。
另外,存在一个使得沸腾传热量最高的最优疏水点间距,这一间距和成核点之间的相互作用有关。
进一步增加疏水点间距将减小汽泡脱离频率,进一步减小疏水点间距会导致相邻成核点之间的抑制作用,从而都会降低池沸腾传热量。
本文的工作为汽液相变数值模拟开拓了新的研究思路,阐明了加热面润湿特性(亲疏水性)对池沸腾传热的影响,揭示了亲疏水混合表面的沸腾传热强化机理,为通过改变加热面润湿特性强化沸腾传热提供了重要的理论依据。