多孔结构中汽泡运动行为特性

多孔结构中汽泡运动行为特性
首都师范大学附属中学王志昊
指导教师: 彭晓峰教授段远源教授王珍博士
清华大学相变与界面传递现象实验室
摘要
多孔结构内的沸腾传热因具有传输能力高、换热温度小、高热流密度和高临界负荷等突出特点，广泛应用于机械、能源、环境和化工等领域。

但多孔结构空间的复杂性及其特殊性，使其内部沸腾现象呈现出了一些不同于大空间沸腾的现象和过程，同时由于其复杂性和特殊性，也给研究其内部沸腾传热增加了难度。

本文利用可视化实验技术，通过高速图像采集系统拍摄了多孔球层结构内部的汽泡行为，观察研究在低热流密度的条件下的汽泡的单个汽泡行为，以及在高热流密度的条件下，汽泡之间会产生相互间作用，包括汽泡合并、挤压、撕裂等现象。

同时观察研究多孔结构中汽泡的穿越特点。

关键词：多孔结构沸腾汽泡
一、研究背景
多孔结构内的沸腾传热因具有传输能力高、换热温度小、高热流密度和高临界负荷等突出特点，广泛应用于机械、能源、环境和化工等领域，同时已成为电子器件冷却、航空航天器件和系统以及MEMS（微型电子机械系统）系统热控制与管理等高科技应用中的关键性技术手段。

目前，微电子与其它相关系统内部件等的热强度或热流密度很大，而且还在持续增长。

1990年双级芯片的表面热流密度为15W／cm2，据估计在2010年将达到110 W／cm2或更高。

狭小空间内的热量如果不能及时散失，元件就可能失效，甚至造成整个系统崩溃。

有资料表明，半导体元件温度在70～80ºC的基础上每升高1ºC，元件的可靠性就下降5％。

传统的冷却技术很难将系统的高热量迅速散失出去。

近年来的研究表明，多孔结构对强化沸腾换热非常有效。

按照经典的核化理
论，对于一定的沸腾液体和加热表面材料性质，在凹穴中形成汽泡所需要的核化能最少，有利于在较低表面过热度下形成高热流沸腾传热形态。

多孔表面和多孔介质孔隙结构特性恰好为核化沸腾提供这种基本的条件。

同时，受限空间内的汽泡聚合、脱离和流动特性也对沸腾换热起到很大强化作用。

有数据表明，多孔内的沸腾换热系数是一般平滑表面10倍，沸腾临界热负荷可提高80%左右。

有关多孔材料内的传递现象、界面作用和孔隙结构物性的相互耦合作用的研究，对于理解多孔内的核化、界面效应、汽泡之间的相互作用、汽泡周围的流动等都有着重要意义。

本文利用可视化实验技术，通过高速图像采集系统拍摄了多孔球层结构内部的汽泡行为，观察研究在低热流密度的条件下的汽泡的单个汽泡行为，以及在高热流密度的条件下，汽泡之间会产生相互间作用，包括汽泡合并、挤压、撕裂等现象。

同时观察研究多孔结构中汽泡的穿越特点。

二、实验系统
2.1 实验装置
本文利用可视化实验技术，通过高速图像采集系统拍摄了多孔堆积球层结构中的汽泡行为特性及汽泡间相互作用。

实验系统如图2.1所示，包括可视化实验段，加热系统以及采集系统。

图2.1 实验系统
2.1.1 可视化实验段
实验段采用了一敞口玻璃容器，其底部为紫铜板，四周壁面为石英玻璃，如图2.2所示。

图2.2 玻璃容器
多孔结构中的孔道一般不是直通孔，透光性很差，为了清晰地拍摄出多孔结构内的汽泡活动，要求多孔结构具有一定的透光性。

为此，选择了透明的玻璃球粒作为多孔层的组成颗粒，玻璃球粒的直径已有生产厂家标定。

同一直径的玻璃球自由平铺在容器底板上，形成堆积球层。

整个容器内充满实验工质，工质液面要求高于堆积球层的高度。

2.1.2 加热系统
加热件是本实验系统的核心部件，它应满足如下要求：
1.结构紧凑，和容器底板接触良好
2.达到功率要求，且耐高温
为了使加热件与容器底板良好接触，减少接触热阻和热损失，本实验设计将玻璃容器嵌入黄铜板内，然后将黄铜板与加热块紧固。

为了保证黄铜块与加热块间的紧密接触，在加热块上表面和黄铜板下表面涂抹导热硅脂(如图2.3所示)。

2.2 采集系统
实验中采集系统主要包括图像采集系统和温度数据测试系统。

图2.3 加热系统
2.2.1 图像采集系统
实验借助带有光学放大镜头的CCD 摄像机来拍摄多孔结构孔道内的汽泡行为，并将图像资料直接传输给电脑处理，然后通过显示屏就可以实时观察到孔道内的汽泡活动。

由于本实验所采用的CCD 摄像头具有较强的感光性，故直接采用高瓦数照明光源作为拍摄光源。

实验中紧挨着容器放置一强光源来提供CCD 摄像头拍摄所需光线。

可视化手段对多孔结构狭窄通道内的汽泡活动的观察是一种行之有效的方法，但也有局限性。

CCD 摄像头只能拍摄到紧贴玻璃板的多孔结构内的汽泡活动，不能穿透到多孔结构内部中心地带，那些区域的现象对于摄像头来说是不可见的。

紧贴玻璃板的多孔结构外沿在孔道的几何尺寸上与多孔结构内部中央地带是有一些差异的，如图2.4所示
黄铜板
石英玻璃容
加热块
图2.4
但这并不影响实验考察空间结构对汽泡活动产生的作用，因为两处孔道结构在垂直纸面方向是相似的都是渐缩—渐扩通道，只是横截面不同而已。

故两区域内汽泡的运动行为是相同的，只是汽泡横截面尺寸不同。

2.2.2 温度数据测试系统
实验中温度数据主要通过热电偶测试，采用即时显示装置记录。

三、多孔球层内的可视化实验研究
本论文主要观察多孔结构中气泡运动行为，关注多孔结构的存在对气泡运动形态及气泡间相互作用的影响。

实验中采用去离子水为测试工质。

3.1 实验设计
实验的主要步骤如下：
1、测量加热器电阻，以及接触面积。

2、组装实验台，将玻璃珠放入容器内，注水，放入热电偶。

3、连接采集系统、加热系统。

4、打开光源，调整焦距和光圈，固定CCD。

5、打开调压器，慢慢调整电压值。

6、记录相关测量数据，保存图像。

7、拆卸实验台，测量加热器电阻。

8、数据整理分析，得出结论。

3.2 基本实验特征
实验中，通过带有放大镜头的CCD摄像头观察和拍摄壁面附近细观到孔隙内部的汽泡动态过程，观察区域如图3.1所示。

图3.1 实验观察区域示意图
3.3 现象观察与分析
3.3.1 低加热热流密度下汽泡行为
图3.3.1所示为加热热流密度为20.34 kW/㎡时多孔结构中气泡运动过程。

可见低加热热流密度时，由于加热面上生成的汽泡直径较小，汽泡脱离频率较低，汽泡间相互作用并不强，大部分汽泡都以单个汽泡上升，如图中汽泡1和汽泡2所示。

同时由于多孔结构的存在，当从加热面脱离的汽泡在向上运动过程中遇到多孔结构时会被多孔结构阻拦，因此在多孔狭缝区域会形成局部的汽泡聚集，如图3.3.1(g)中方框所示。

在此区域中汽泡间碰撞几率增大，汽泡间相互作用增强，增加了汽泡合并的几率。

a.0s
b.0.006s
c.0.012s
d.0.018s
e.0.024s
f.0.030s
g.0.036s h.0.042s i.0.048s
图3.3.1低热流密度下多孔结构中气泡运动（q=20.34 kW/㎡,T l=91.6 ℃）
3.3.2 较高加热热流密度下多个汽泡间的相互作用
在较高热流密度下，加热面生成的汽泡直径变大，由于多孔结构的存在，汽泡在向上运动过程中会受到玻璃珠壁面的作用发生变形，如图 3.3.2（a）中汽泡3所示。

同时由于加热热流密度增大，气泡脱离频率增大，狭缝区域会停留更多的汽泡，汽泡间相互作用增强，因此多个小汽泡将会相互结合，形成大汽泡。

此时由于形成的大汽泡尺寸相较周围玻璃球间孔隙大很多，导致汽泡无法正常穿越。

同
时加热壁面继续生成大量汽泡。

这样就会在狭小空间内同时存在多个大汽泡，如图3.3.2所示。

大汽泡间相互作用的结果会出现两种情况：
1. 当玻璃球壁面对汽泡的阻力比汽泡间的相互作用力小时，前面的汽泡(图
3.3.2(a)中汽泡1)被后面汽泡(图3.3.2(a)中汽泡2)挤压，前面汽泡发生形变，从狭缝中穿越过粗气，运动到临近的狭缝空间中，如图3.3.2（g ）。

a.0s
b. 0. 01s
c. 0.02s
d. 0.03s
e. 0.04s
f. 0.05s
g. 0.06s
h. 0.07s
i. 0.08s
图3.3.2 高加热热流密度下汽泡运动及相互作用（q =28.93 kW/㎡,T l =97.5 ℃） 2. 当玻璃球壁面对汽泡的阻力比汽泡间的相互作用力大时，前面的汽泡（图
3.3.2(a)中汽泡2）在后面汽泡(图3.3.2(a)中汽泡3)作用下同样发生形变，但是由于此时汽泡直径较之前的汽泡（图3.3.2(a)中汽泡1）大一些，汽泡
突破狭缝更加困难，此时汽泡间相互作用达到了汽泡间合并的壁垒，因此两
汽泡1穿越狭缝
个汽泡将会在此空间内进行合并。

由以上实验观察可以发现，因为多孔结构的存在，当汽泡的尺寸与狭缝穿越阻力（狭缝最小尺寸大小）间比例不同时，汽泡间相互作用的结果会存在不同的结果。

3.3.3 高加热热流密度下的汽泡撕裂行为
a.t=0s
b.t=0.004s
c.t=0.008s
d.t=0.012s
e.t=0.016s
f.t=0.020s
g.t=0.024s
h.t=0.028s
i.t=0.032s
图3.3.3高热流密度下的汽泡撕裂行为（q =41.65 kW/㎡,T l =103.8 ℃）
加热热流密度进一步升高，加热壁面生成的汽泡体积变大，脱离频率加快，
断裂处
汽泡1
汽泡2
同时汽泡间合并越来越频繁，所以会产生直径很大的汽泡。

当汽泡体积超过所处孔隙的大小，汽泡就会向狭缝方向发展，穿越狭缝。

在穿越的过程中由于周围玻璃球之间供汽泡穿越的孔隙较小，将会导致汽泡在玻璃球之间的位置被拉抻(如图3.3.3所示)。

当当汽泡被拉抻处的汽泡宽度小于某一临界值时，汽泡将会发生断裂，分裂成两个独立的汽泡，穿越过狭缝的汽泡和残留在当前狭缝内的汽泡，如图3.3.3(i)中汽泡1和2。

3.3.4 汽泡穿越狭缝的方向性
a.t=0s
b.t=0.012s
c.t=0.024s
d.t=0.036s
e.t=0.048s
f.t=0.060s
g.t=0.072s h.t=0.084s i.t=0.096s
图3.3.4 汽泡穿越狭缝的方向性（q=50.15 kW/㎡,T l=100.9 ℃）
高加热热流密度时，加热壁面产生更多的大汽泡，而这些大汽泡开始向上运动时可能会同时穿越多个狭缝。

，此时因为各个狭缝所产生的壁垒不同，汽泡穿越行为会产生明显不同。

当各个狭缝的穿越壁垒相近时，大汽泡穿越这些狭缝的行为是一致的，即汽泡会同时穿越具有相同壁垒的狭缝，如图 3.3.4（c）中箭头所示的4个狭缝。

对于大汽泡而言，以上4个狭缝的突破壁垒相当，因此当汽泡穿越以上狭缝时呈现同时性。

汽泡会沿着以上狭缝方向同时向外延展。

但当大汽泡穿越至某一狭缝时，该狭缝的突破壁垒相对其他狭缝低很多时，汽泡就会从该狭缝方向穿越，而不会从其他方向穿越。

同时由于该方向的壁垒较低，汽泡会全部都从该狭缝方向穿越多孔结构，即之前从其他狭缝穿越通过的部分会收缩，并全部从此狭缝穿越，呈现穿越的单向性，如图3.3.4(e)中间头所标识的狭缝。

通过汽泡穿越过程发现，相对于其他相同时刻汽泡要穿越的狭缝，该狭缝的穿越壁垒更低，因此汽泡会优先从此狭缝穿越，而同时汽泡的其他部分会收缩(如图3.3.4(f-h)中箭头所示)，并全部从此狭缝穿越。

四、实验结论
本文利用可视化实验技术，通过高速图像采集系统拍摄了多孔球层结构内部的汽泡行为，观察研究在低热流密度的条件下的汽泡的单个汽泡行为，以及在高热流密度的条件下，汽泡之间会产生相互间作用，包括汽泡合并、挤压、撕裂等现象。

同时观察研究多孔结构中汽泡的穿越特点。

1.低加热热流密度条件下，汽泡通常表现出单个汽泡行为，汽泡间相互间作用较弱。

2.高加热热流密度条件下，汽泡之间会产生相互间作用，出现合并、挤压、撕裂等现象。

3.汽泡穿越多孔结构时具有方向性。

致谢
本课题研究在清华大学相变及界面传递现象实验室教授彭晓峰和王珍老师的指导下完成。

在此，对两位导师在百忙之中悉心指导，无私奉献表示最衷心的感谢。

对清华大学相变及界面传递实验室为我提供的良好的实验条件和环境表示衷心感谢！
参考文献
[1]王峥：多孔球层内沸腾现象及汽泡界面传热特性。