微結(jié)構(gòu)表面特性對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的影響及機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義液氮作為一種重要的低溫工質(zhì)，在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)療領(lǐng)域，液氮常用于冷凍治療，可有效去除皮膚表面的疣、痣、血管瘤等病變組織，其極低的溫度能夠迅速冷凍并破壞病變細(xì)胞，且在專業(yè)醫(yī)生的操作下，冷凍療法安全有效。同時(shí)，液氮的超低溫環(huán)境對(duì)于長(zhǎng)期保存血液、組織、精子和卵子等生物樣本至關(guān)重要，能保持這些樣本的活性和穩(wěn)定性，為醫(yī)學(xué)研究和臨床治療提供有力支持。在食品工業(yè)中，液氮發(fā)揮著不可替代的作用。一方面，它能夠?qū)崿F(xiàn)食品的快速冷凍，在這一過程中，食品的營(yíng)養(yǎng)成分和口感得以最大程度的保留，同時(shí)保質(zhì)期也得以延長(zhǎng)，極大地提高了食品的質(zhì)量和安全性，這種快速冷凍技術(shù)在食品加工業(yè)中應(yīng)用廣泛。另一方面，液氮還被用于制作冰淇淋、雪糕等冷凍食品，顯著提升了產(chǎn)品的口感和品質(zhì)，給消費(fèi)者帶來獨(dú)特的食用體驗(yàn)。在工業(yè)領(lǐng)域，液氮在金屬加工方面應(yīng)用廣泛，如淬火、冷卻等工藝。通過液氮的作用，可以顯著提高金屬的硬度和耐磨性，改善金屬的性能，滿足不同工業(yè)生產(chǎn)對(duì)金屬材料性能的要求。此外，液氮還可用于清洗和干燥設(shè)備，能有效去除設(shè)備表面的油污和水分，確保設(shè)備的正常運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。其極低的溫度使其成為高效的冷卻劑，在各種需要低溫環(huán)境的工業(yè)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在科學(xué)研究領(lǐng)域，液氮同樣具有重要價(jià)值。它為低溫物理學(xué)研究提供了不可或缺的實(shí)驗(yàn)條件，在超導(dǎo)材料研究中，液氮能夠提供高溫超導(dǎo)體顯示超導(dǎo)性所需的溫度，促進(jìn)了釔鋇銅氧等超導(dǎo)材料的制備和研究進(jìn)展。同時(shí)，液氮還可用于模擬極端環(huán)境，幫助科研人員研究生物、化學(xué)等領(lǐng)域在極端條件下的相關(guān)問題，拓展了科學(xué)研究的邊界。在上述液氮的諸多應(yīng)用場(chǎng)景中，其蒸發(fā)傳熱特性對(duì)系統(tǒng)的性能和效率起著決定性作用。例如，在電子設(shè)備冷卻中，若液氮能夠高效地蒸發(fā)傳熱，就能及時(shí)帶走設(shè)備產(chǎn)生的大量熱量，確保設(shè)備在適宜的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，避免因過熱導(dǎo)致性能下降甚至損壞。而微結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)能夠顯著改變液氮的蒸發(fā)傳熱特性。微結(jié)構(gòu)表面具有特殊的幾何形狀和尺寸，如微通道、微槽道、微柱等結(jié)構(gòu)，這些微觀結(jié)構(gòu)可以增加液氮與表面的接觸面積，改變液-氣界面的性質(zhì)，從而影響液氮的蒸發(fā)過程和傳熱效率。研究液氮在微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)傳熱特性，能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。在醫(yī)療冷凍治療設(shè)備的設(shè)計(jì)中，依據(jù)這一研究成果，可以優(yōu)化冷凍探頭的表面微結(jié)構(gòu)，使液氮在蒸發(fā)時(shí)更高效地帶走熱量，提高治療效果；在食品冷凍保鮮技術(shù)中，通過對(duì)微結(jié)構(gòu)表面上液氮蒸發(fā)傳熱特性的研究，可以設(shè)計(jì)出更高效的冷凍裝置，在保證食品質(zhì)量的同時(shí)降低能耗；在電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的研發(fā)中，利用這一研究結(jié)論，能夠開發(fā)出性能更優(yōu)的散熱模塊，滿足電子設(shè)備不斷發(fā)展對(duì)散熱的更高要求。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀液氮蒸發(fā)傳熱特性的研究一直是熱科學(xué)領(lǐng)域的重要課題，隨著微結(jié)構(gòu)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，微結(jié)構(gòu)表面上液氮蒸發(fā)傳熱特性的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)。在國(guó)外，許多科研團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)研究。如美國(guó)的[研究團(tuán)隊(duì)1]通過實(shí)驗(yàn)研究了微通道內(nèi)液氮的流動(dòng)沸騰傳熱特性，他們采用高精度的溫度測(cè)量設(shè)備和可視化技術(shù)，詳細(xì)分析了不同微通道尺寸和熱流密度下液氮的沸騰現(xiàn)象和傳熱系數(shù)的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，微通道的尺寸對(duì)液氮的沸騰起始點(diǎn)和傳熱系數(shù)有顯著影響，較小的微通道尺寸能夠增強(qiáng)液氮與壁面之間的相互作用，提高傳熱效率，但同時(shí)也會(huì)增加流動(dòng)阻力。[研究團(tuán)隊(duì)2]運(yùn)用數(shù)值模擬方法，深入探究了液氮在微柱陣列表面的蒸發(fā)傳熱過程，通過建立多相流模型，模擬了液-氣界面的動(dòng)態(tài)變化和熱量傳遞機(jī)制，揭示了微柱高度、間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蒸發(fā)傳熱的影響規(guī)律，為微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也取得了豐碩成果。[研究團(tuán)隊(duì)3]搭建了液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同微結(jié)構(gòu)形狀（如微槽道、微金字塔等）對(duì)傳熱性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微結(jié)構(gòu)的形狀能夠改變液氮的流動(dòng)路徑和蒸發(fā)面積，從而影響傳熱效果，其中微金字塔結(jié)構(gòu)在特定條件下展現(xiàn)出了較好的傳熱性能。[研究團(tuán)隊(duì)4]從理論分析的角度出發(fā)，建立了液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱的數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)模型的求解和分析，探討了表面張力、接觸角等因素對(duì)蒸發(fā)傳熱的作用機(jī)制，為深入理解液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱現(xiàn)象提供了理論支持。然而，當(dāng)前的研究仍存在一些不足之處。一方面，在實(shí)驗(yàn)研究中，對(duì)于一些復(fù)雜微結(jié)構(gòu)表面上液氮蒸發(fā)傳熱特性的測(cè)量還存在技術(shù)難題，難以精確獲取微尺度下的溫度、速度等關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)致對(duì)傳熱機(jī)理的認(rèn)識(shí)不夠深入。另一方面，在數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有的模型大多對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，未能全面考慮多物理場(chǎng)的耦合作用，如熱輻射、表面電荷等因素對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的影響，使得模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差。此外，不同研究之間的實(shí)驗(yàn)條件和微結(jié)構(gòu)參數(shù)差異較大，缺乏系統(tǒng)性和可比性，難以形成統(tǒng)一的理論體系。針對(duì)上述問題，本文擬從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬兩個(gè)方面展開研究。在實(shí)驗(yàn)方面，采用先進(jìn)的微納測(cè)量技術(shù)和可視化手段，深入研究不同類型微結(jié)構(gòu)表面（如微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)、梯度微結(jié)構(gòu)等）上液氮的蒸發(fā)傳熱特性，精確測(cè)量微尺度下的關(guān)鍵參數(shù)，為傳熱機(jī)理的研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。在數(shù)值模擬方面，建立更加完善的多物理場(chǎng)耦合模型，全面考慮熱輻射、表面電荷等因素對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的影響，通過模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，深入揭示液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱機(jī)理，為微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究液氮在微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)傳熱特性，揭示微結(jié)構(gòu)表面對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的影響機(jī)制，為相關(guān)工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容如下：實(shí)驗(yàn)研究：搭建高精度的液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用先進(jìn)的微納測(cè)量技術(shù)和可視化手段，精確測(cè)量不同微結(jié)構(gòu)表面（如微通道、微柱、微槽道以及它們的復(fù)合結(jié)構(gòu)等）上液氮蒸發(fā)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，包括溫度分布、熱流密度、蒸發(fā)速率等。通過改變微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、排列方式以及實(shí)驗(yàn)條件（如熱流密度、壓力、初始溫度等），系統(tǒng)地研究這些因素對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱特性的影響規(guī)律。利用高速攝像機(jī)和顯微鏡等設(shè)備，對(duì)液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)過程進(jìn)行可視化觀察，記錄液-氣界面的動(dòng)態(tài)變化、氣泡的生成與脫離等現(xiàn)象，為傳熱機(jī)理的分析提供直觀的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。傳熱模型建立：基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)理論，建立液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱的數(shù)學(xué)模型。模型將全面考慮多物理場(chǎng)的耦合作用，如熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射以及表面張力、接觸角等因素對(duì)蒸發(fā)傳熱的影響。采用數(shù)值模擬方法對(duì)模型進(jìn)行求解，模擬液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱過程，分析不同參數(shù)下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)蒸發(fā)傳熱系數(shù)和臨界熱流密度等關(guān)鍵參數(shù)。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化和完善模型，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。傳熱機(jī)制分析：結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬分析，深入探討液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱機(jī)制。研究微結(jié)構(gòu)表面對(duì)液-氣界面穩(wěn)定性的影響，分析氣泡的生成、生長(zhǎng)和脫離過程對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)。探討表面張力、接觸角等因素在蒸發(fā)傳熱過程中的作用機(jī)制，揭示微結(jié)構(gòu)表面與液氮之間的相互作用規(guī)律。研究不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)（如微通道寬度、微柱高度和間距等）對(duì)傳熱性能的影響機(jī)制，明確各因素之間的相互關(guān)系，為微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。性能優(yōu)化與應(yīng)用研究：根據(jù)傳熱機(jī)制分析的結(jié)果，提出微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以提高液氮的蒸發(fā)傳熱效率和穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)優(yōu)化后的微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行性能評(píng)估，確定最佳的微結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，如電子設(shè)備冷卻、食品冷凍保鮮、醫(yī)療冷凍治療等，設(shè)計(jì)和開發(fā)基于微結(jié)構(gòu)表面的高效液氮蒸發(fā)傳熱裝置，進(jìn)行性能測(cè)試和分析，驗(yàn)證研究成果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展提供技術(shù)支持。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論分析等多種方法，深入探究液氮在微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)傳熱特性。實(shí)驗(yàn)研究是本研究的重要基礎(chǔ)。搭建高精度的液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用先進(jìn)的微納測(cè)量技術(shù)，如薄膜熱電偶、紅外熱像儀、激光多普勒測(cè)速儀等，精確測(cè)量液氮蒸發(fā)過程中的溫度分布、熱流密度、蒸發(fā)速率等關(guān)鍵參數(shù)。利用高速攝像機(jī)和顯微鏡對(duì)液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)過程進(jìn)行可視化觀察，記錄液-氣界面的動(dòng)態(tài)變化、氣泡的生成與脫離等現(xiàn)象，為傳熱機(jī)理的分析提供直觀的數(shù)據(jù)支持。通過改變微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、排列方式以及實(shí)驗(yàn)條件（如熱流密度、壓力、初始溫度等），系統(tǒng)地研究這些因素對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱特性的影響規(guī)律。數(shù)值模擬作為研究的重要手段，能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究在某些方面的不足?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)理論，建立液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱的數(shù)學(xué)模型，全面考慮熱傳導(dǎo)、對(duì)流、熱輻射以及表面張力、接觸角等多物理場(chǎng)的耦合作用。采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，對(duì)模型進(jìn)行求解，模擬液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱過程，分析不同參數(shù)下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)蒸發(fā)傳熱系數(shù)和臨界熱流密度等關(guān)鍵參數(shù)。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化和完善模型，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。理論分析則從本質(zhì)上揭示液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱機(jī)制。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬分析，運(yùn)用傳熱學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等相關(guān)理論，研究微結(jié)構(gòu)表面對(duì)液-氣界面穩(wěn)定性的影響，分析氣泡的生成、生長(zhǎng)和脫離過程對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)。探討表面張力、接觸角等因素在蒸發(fā)傳熱過程中的作用機(jī)制，揭示微結(jié)構(gòu)表面與液氮之間的相互作用規(guī)律。研究不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)（如微通道寬度、微柱高度和間距等）對(duì)傳熱性能的影響機(jī)制，明確各因素之間的相互關(guān)系，為微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。本研究的技術(shù)路線如圖1-1所示：實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段：設(shè)計(jì)并加工不同類型的微結(jié)構(gòu)表面，如微通道、微柱、微槽道以及它們的復(fù)合結(jié)構(gòu)等。搭建液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，確保實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的液氮、測(cè)量?jī)x器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)研究階段：在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，進(jìn)行液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱實(shí)驗(yàn)。利用微納測(cè)量技術(shù)測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)，使用高速攝像機(jī)和顯微鏡對(duì)蒸發(fā)過程進(jìn)行可視化觀察，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱特性的影響規(guī)律。數(shù)值模擬階段：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)理論，建立液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)傳熱的數(shù)學(xué)模型。選擇合適的數(shù)值模擬軟件，對(duì)模型進(jìn)行求解，模擬液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱過程。分析模擬結(jié)果，得到不同參數(shù)下的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布，預(yù)測(cè)蒸發(fā)傳熱系數(shù)和臨界熱流密度等關(guān)鍵參數(shù)。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，優(yōu)化和完善模型。理論分析階段：結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬分析，運(yùn)用相關(guān)理論，深入探討液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱機(jī)制。研究微結(jié)構(gòu)表面對(duì)液-氣界面穩(wěn)定性的影響，分析氣泡的生成、生長(zhǎng)和脫離過程對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)。探討表面張力、接觸角等因素在蒸發(fā)傳熱過程中的作用機(jī)制，揭示微結(jié)構(gòu)表面與液氮之間的相互作用規(guī)律。研究不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響機(jī)制，明確各因素之間的相互關(guān)系。性能優(yōu)化與應(yīng)用研究階段：根據(jù)傳熱機(jī)制分析的結(jié)果，提出微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以提高液氮的蒸發(fā)傳熱效率和穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)優(yōu)化后的微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行性能評(píng)估，確定最佳的微結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。將研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，如電子設(shè)備冷卻、食品冷凍保鮮、醫(yī)療冷凍治療等，設(shè)計(jì)和開發(fā)基于微結(jié)構(gòu)表面的高效液氮蒸發(fā)傳熱裝置，進(jìn)行性能測(cè)試和分析，驗(yàn)證研究成果的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。通過上述研究方法和技術(shù)路線，本研究旨在全面、深入地揭示液氮在微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)傳熱特性和機(jī)制，為相關(guān)工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。二、液氮蒸發(fā)傳熱與微結(jié)構(gòu)表面相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1液氮的基本性質(zhì)與蒸發(fā)原理液氮，作為氮?dú)庠诘蜏丨h(huán)境下形成的液態(tài)形式，呈現(xiàn)出無色、無臭且無腐蝕性的物理特性，同時(shí)具備不可燃的化學(xué)性質(zhì)，其溫度極低。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，液氮的沸點(diǎn)為-196℃，這一極低的沸點(diǎn)使得液氮在常溫環(huán)境中極易發(fā)生相變，從液態(tài)迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。氮在地球大氣中占據(jù)著主要成分，其體積占比高達(dá)78.03%，重量占比為75.5%。在常壓條件下，液氮的溫度穩(wěn)定在-196℃，且1立方米的液氮在完全汽化后，能夠膨脹成為696立方米的純氣態(tài)氮，這種顯著的體積膨脹特性在許多應(yīng)用中具有重要意義。液氮的蒸發(fā)過程本質(zhì)上是一種相變現(xiàn)象，是物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程。當(dāng)液氮與溫度相對(duì)較高的物體表面或環(huán)境接觸時(shí)，由于存在巨大的溫度差，液氮會(huì)迅速吸收熱量。這種熱量的吸收使得液氮分子的動(dòng)能增加，分子間的距離逐漸增大，從而導(dǎo)致液氮從液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。在這個(gè)過程中，液氮會(huì)吸收大量的熱量，這一特性使得它在許多領(lǐng)域被廣泛用作冷卻劑。例如，在醫(yī)療冷凍治療中，液氮的快速蒸發(fā)能夠迅速帶走病變組織的熱量，使其冷凍壞死，從而達(dá)到治療的目的；在食品冷凍保鮮中，液氮的蒸發(fā)可以快速降低食品的溫度，有效抑制微生物的生長(zhǎng)和繁殖，延長(zhǎng)食品的保質(zhì)期。相變潛熱是液氮蒸發(fā)過程中的一個(gè)重要物理量。它是指在相變過程中，單位質(zhì)量的物質(zhì)吸收或釋放的熱量。對(duì)于液氮而言，其在常壓下從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中，蒸發(fā)潛熱為199kJ/kg。這意味著每千克液氮在蒸發(fā)時(shí)需要吸收199kJ的熱量。此外，當(dāng)-195.8℃的氮?dú)庠诔合聹囟壬仙?20℃時(shí)，還可吸收183.89kJ/kg的顯熱（比熱容以1.05kJ/(kg?K)計(jì)）。因此，液氮在整個(gè)相變過程中，從液態(tài)到氣態(tài)再到溫度升高的過程中，所吸收的汽化熱和顯熱總和可達(dá)383kJ/kg。這一特性使得液氮在需要大量吸收熱量的應(yīng)用場(chǎng)景中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如在液氮速凍技術(shù)中，利用液氮相變過程中吸收的大量熱量，能夠使食品在短時(shí)間內(nèi)迅速降溫凍結(jié)，最大程度地保留食品的營(yíng)養(yǎng)成分和口感。從微觀角度來看，液氮的蒸發(fā)過程涉及分子層面的變化。在液態(tài)時(shí)，液氮分子間的距離相對(duì)較小，分子間存在較強(qiáng)的相互作用力，使得分子只能在相對(duì)固定的位置附近振動(dòng)。當(dāng)吸收熱量后，分子的動(dòng)能增加，部分分子獲得足夠的能量克服分子間的作用力，從而脫離液態(tài)表面進(jìn)入氣態(tài)。隨著蒸發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，越來越多的分子進(jìn)入氣態(tài)，液態(tài)液氮的量逐漸減少。同時(shí)，由于蒸發(fā)過程需要吸收熱量，周圍環(huán)境的溫度會(huì)相應(yīng)降低，這也是液氮能夠起到冷卻作用的微觀本質(zhì)。2.2傳熱學(xué)基本原理在液氮蒸發(fā)中的應(yīng)用在液氮的蒸發(fā)過程中，導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射這三種基本的傳熱方式同時(shí)存在，它們相互作用，共同影響著液氮的蒸發(fā)傳熱特性。導(dǎo)熱是指物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于微觀粒子（如分子、原子、自由電子等）的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象。在液氮蒸發(fā)系統(tǒng)中，當(dāng)液氮與微結(jié)構(gòu)表面接觸時(shí)，熱量會(huì)從溫度較高的微結(jié)構(gòu)表面通過導(dǎo)熱的方式傳遞給液氮。微結(jié)構(gòu)材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)這一過程起著關(guān)鍵作用。導(dǎo)熱系數(shù)是衡量材料導(dǎo)熱能力的物理量，它反映了材料在單位溫度梯度下的熱傳導(dǎo)速率。對(duì)于金屬材料制成的微結(jié)構(gòu)，由于其內(nèi)部存在大量自由電子，這些自由電子在熱運(yùn)動(dòng)中能夠快速傳遞能量，因此金屬材料通常具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)。如銅的導(dǎo)熱系數(shù)在常溫下約為401W/（m?K），鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為237W/（m?K）。當(dāng)微結(jié)構(gòu)表面與液氮接觸時(shí)，熱量能夠迅速通過這些金屬微結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)至液氮中，使得液氮分子獲得能量，進(jìn)而促進(jìn)其蒸發(fā)。而對(duì)于一些非金屬材料，如陶瓷、塑料等，它們的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低。例如，普通陶瓷的導(dǎo)熱系數(shù)一般在1-10W/（m?K）范圍內(nèi)，塑料的導(dǎo)熱系數(shù)通常在0.1-0.5W/（m?K）之間。這是因?yàn)榉墙饘俨牧蟽?nèi)部的原子或分子之間主要通過共價(jià)鍵或分子間作用力結(jié)合，熱傳遞主要依靠原子或分子的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，其能量傳遞效率較低。在液氮蒸發(fā)系統(tǒng)中，如果微結(jié)構(gòu)由這些低導(dǎo)熱系數(shù)的材料制成，熱量從微結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到液氮的速度會(huì)較慢，從而在一定程度上抑制液氮的蒸發(fā)速率。此外，微結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀也會(huì)影響導(dǎo)熱效果。較小的微結(jié)構(gòu)尺寸可以減小導(dǎo)熱路徑，降低熱阻，有利于熱量的快速傳遞。而復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)形狀，如微通道、微柱等，可能會(huì)增加熱傳遞的面積和路徑，從而對(duì)導(dǎo)熱過程產(chǎn)生復(fù)雜的影響。對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞現(xiàn)象。在液氮蒸發(fā)過程中，對(duì)流主要包括自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種形式。自然對(duì)流是由于流體內(nèi)部存在溫度差，導(dǎo)致流體密度不均勻，從而引起流體的自然流動(dòng)。當(dāng)液氮在微結(jié)構(gòu)表面蒸發(fā)時(shí)，靠近微結(jié)構(gòu)表面的液氮受熱蒸發(fā)，密度減小，向上運(yùn)動(dòng)，而周圍溫度較低、密度較大的液氮?jiǎng)t會(huì)補(bǔ)充過來，形成自然對(duì)流。這種自然對(duì)流有助于將熱量從微結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鬟f到液氮主體中，加快液氮的蒸發(fā)速度。自然對(duì)流的強(qiáng)度與溫度差、流體的物性（如密度、黏度、比熱容等）以及微結(jié)構(gòu)表面的幾何形狀和尺寸等因素密切相關(guān)。溫度差越大，自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力就越大，對(duì)流換熱也就越強(qiáng)烈。流體的密度和黏度對(duì)自然對(duì)流也有重要影響，密度較小、黏度較低的流體更容易發(fā)生自然對(duì)流。微結(jié)構(gòu)表面的幾何形狀和尺寸會(huì)影響流體的流動(dòng)特性，進(jìn)而影響自然對(duì)流的效果。強(qiáng)制對(duì)流則是通過外部動(dòng)力（如泵、風(fēng)機(jī)等）使流體產(chǎn)生定向流動(dòng)，從而增強(qiáng)熱量傳遞。在一些液氮蒸發(fā)應(yīng)用中，為了提高蒸發(fā)效率，會(huì)采用強(qiáng)制對(duì)流的方式，如通過泵送液氮使其在微結(jié)構(gòu)表面快速流動(dòng)，或者利用風(fēng)機(jī)對(duì)液氮表面進(jìn)行吹風(fēng)。強(qiáng)制對(duì)流可以顯著提高流體的流速，增加流體與微結(jié)構(gòu)表面之間的換熱系數(shù)，從而大大增強(qiáng)傳熱效果。在電子設(shè)備冷卻中，常采用強(qiáng)制對(duì)流的方式，將液氮通過微通道散熱器，快速帶走設(shè)備產(chǎn)生的熱量，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。輻射是指物體通過電磁波的形式向外傳遞熱量的過程。在液氮蒸發(fā)過程中，輻射傳熱雖然相對(duì)較弱，但在某些情況下也不能忽視。當(dāng)微結(jié)構(gòu)表面與周圍環(huán)境之間存在較大的溫度差時(shí)，微結(jié)構(gòu)表面會(huì)向周圍環(huán)境發(fā)射熱輻射，同時(shí)也會(huì)吸收周圍環(huán)境的熱輻射。輻射傳熱的大小與物體的溫度、表面發(fā)射率以及周圍環(huán)境的溫度等因素有關(guān)。物體的溫度越高，輻射傳熱就越強(qiáng)，這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)使物體內(nèi)部的分子或原子振動(dòng)加劇，從而發(fā)射出更多的電磁波。表面發(fā)射率是衡量物體表面輻射能力的物理量，它反映了物體表面發(fā)射的輻射能與同溫度下黑體發(fā)射的輻射能之比。黑體是一種理想化的物體，其表面發(fā)射率為1，能夠完全吸收和發(fā)射各種波長(zhǎng)的輻射能。而實(shí)際物體的表面發(fā)射率通常小于1，不同材料的表面發(fā)射率差異較大。金屬表面的發(fā)射率一般較低，在0.1-0.3之間，這是由于金屬表面對(duì)電磁波的反射能力較強(qiáng)，導(dǎo)致其發(fā)射輻射能的能力相對(duì)較弱。而一些非金屬材料，如陶瓷、涂料等，表面發(fā)射率相對(duì)較高，可達(dá)0.8-0.9。在液氮蒸發(fā)系統(tǒng)中，如果微結(jié)構(gòu)表面采用高發(fā)射率的材料或進(jìn)行表面處理以提高發(fā)射率，輻射傳熱的影響就會(huì)相對(duì)增大。周圍環(huán)境的溫度也會(huì)影響輻射傳熱，當(dāng)周圍環(huán)境溫度較低時(shí)，微結(jié)構(gòu)表面與周圍環(huán)境之間的輻射換熱會(huì)增強(qiáng)，從而對(duì)液氮的蒸發(fā)傳熱產(chǎn)生一定的影響。在低溫環(huán)境下，輻射傳熱可能會(huì)成為液氮蒸發(fā)過程中不可忽視的傳熱方式之一。傳熱系數(shù)和熱流密度是描述傳熱過程的重要參數(shù)，它們?cè)谝旱舭l(fā)傳熱研究中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。傳熱系數(shù)是指在單位溫度差下，單位面積上的傳熱速率，它綜合反映了導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等多種傳熱方式的共同作用效果。傳熱系數(shù)的大小與流體的物性、流速、微結(jié)構(gòu)表面的幾何形狀和尺寸以及表面狀況等因素密切相關(guān)。在液氮蒸發(fā)過程中，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析確定傳熱系數(shù)，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估蒸發(fā)傳熱效率和優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。熱流密度則是指單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量，它直接反映了傳熱過程中熱量傳遞的強(qiáng)度。在液氮蒸發(fā)系統(tǒng)中，熱流密度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了液氮的蒸發(fā)速率和系統(tǒng)的制冷能力。通過測(cè)量和控制熱流密度，可以有效地調(diào)節(jié)液氮的蒸發(fā)過程，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在電子設(shè)備冷卻中，根據(jù)設(shè)備產(chǎn)生的熱量確定所需的熱流密度，進(jìn)而設(shè)計(jì)合適的微結(jié)構(gòu)表面和液氮蒸發(fā)系統(tǒng)，以確保設(shè)備能夠在適宜的溫度下正常運(yùn)行。傳熱系數(shù)和熱流密度的計(jì)算方法通常基于傳熱學(xué)的基本理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。對(duì)于簡(jiǎn)單的傳熱過程，可以通過理論公式進(jìn)行計(jì)算。在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中，傅里葉定律可以用于計(jì)算導(dǎo)熱熱流密度；在對(duì)流換熱中，牛頓冷卻公式可以用于計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)和熱流密度。但在實(shí)際的液氮蒸發(fā)過程中，由于涉及多相流、復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)表面以及多種傳熱方式的耦合作用，計(jì)算往往較為復(fù)雜，需要采用數(shù)值模擬方法或結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式擬合。數(shù)值模擬方法可以通過建立數(shù)學(xué)模型，考慮各種因素的影響，對(duì)傳熱過程進(jìn)行詳細(xì)的分析和預(yù)測(cè)。利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，可以模擬液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱過程，得到傳熱系數(shù)和熱流密度的分布情況。而經(jīng)驗(yàn)公式擬合則是根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立傳熱系數(shù)或熱流密度與相關(guān)因素之間的函數(shù)關(guān)系，從而用于實(shí)際工程計(jì)算。在研究液氮在微通道內(nèi)的蒸發(fā)傳熱時(shí)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同工況下的傳熱系數(shù)和熱流密度，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，為工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。2.3微結(jié)構(gòu)表面的分類、特點(diǎn)及其對(duì)傳熱的作用機(jī)制微結(jié)構(gòu)表面作為一種能夠顯著強(qiáng)化傳熱的新型表面結(jié)構(gòu)，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用。根據(jù)其幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征，微結(jié)構(gòu)表面可分為多種類型，每種類型都具有獨(dú)特的特點(diǎn)和對(duì)傳熱的作用機(jī)制。微通道結(jié)構(gòu)是一種常見的微結(jié)構(gòu)表面形式，其特點(diǎn)是在固體表面上加工出一系列微小的通道。這些通道的尺寸通常在微米到毫米量級(jí)之間，通道的寬度、深度和間距等參數(shù)可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行精確設(shè)計(jì)。微通道結(jié)構(gòu)能夠顯著增加傳熱面積，從而提高傳熱效率。由于通道尺寸較小，流體在微通道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，與通道壁面的接觸面積大幅增加，使得熱量能夠更有效地從壁面?zhèn)鬟f到流體中。微通道內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)與宏觀通道有很大不同，其流動(dòng)通常處于層流狀態(tài)，這使得流體的流速分布更加均勻，減少了速度梯度引起的能量損失，有利于熱量的均勻傳遞。微通道內(nèi)的流體在流動(dòng)過程中，會(huì)受到通道壁面的約束和作用，從而產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，如邊界層效應(yīng)、二次流等。這些流動(dòng)現(xiàn)象能夠進(jìn)一步增強(qiáng)流體與壁面之間的傳熱，提高傳熱系數(shù)。在微通道內(nèi)，邊界層厚度相對(duì)較小，使得熱量能夠更快地從壁面?zhèn)鬟f到流體主體中；二次流的產(chǎn)生則能夠促進(jìn)流體的混合，打破溫度邊界層，增強(qiáng)傳熱效果。微柱陣列結(jié)構(gòu)是由一系列微小的柱狀結(jié)構(gòu)排列在固體表面形成的。微柱的高度、直徑和間距等參數(shù)對(duì)傳熱性能有著重要影響。微柱陣列結(jié)構(gòu)能夠增加流體與表面的接觸面積，同時(shí)改變流體的流動(dòng)方向和速度分布，從而強(qiáng)化傳熱。當(dāng)流體流經(jīng)微柱陣列時(shí)，會(huì)在微柱周圍形成復(fù)雜的流場(chǎng)，產(chǎn)生漩渦和湍流，這些現(xiàn)象能夠有效地增強(qiáng)流體與微柱表面之間的傳熱。漩渦和湍流的存在使得流體的混合更加充分，熱量傳遞更加均勻，從而提高了傳熱效率。微柱陣列還可以改變液-氣界面的形態(tài)和穩(wěn)定性，影響氣泡的生成和脫離過程。在液氮蒸發(fā)過程中，微柱表面能夠提供更多的氣泡成核位點(diǎn)，促進(jìn)氣泡的生成。同時(shí)，微柱的存在能夠改變氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡和脫離方式，使氣泡更容易脫離表面，減少氣泡在表面的停留時(shí)間，從而提高蒸發(fā)傳熱效率。微槽道結(jié)構(gòu)是在固體表面加工出的微小槽道，其深度和寬度一般在微米量級(jí)。微槽道結(jié)構(gòu)能夠引導(dǎo)流體的流動(dòng)方向，增加流體與壁面的接觸面積，從而提高傳熱效率。在微槽道內(nèi)，流體的流動(dòng)受到槽道形狀的限制，形成了特定的流動(dòng)模式，這種流動(dòng)模式能夠增強(qiáng)流體與壁面之間的傳熱。微槽道的存在還可以促進(jìn)氣泡的生長(zhǎng)和脫離，提高蒸發(fā)傳熱性能。在液氮蒸發(fā)過程中，微槽道能夠?yàn)闅馀萏峁┥L(zhǎng)空間，使氣泡在槽道內(nèi)逐漸長(zhǎng)大。當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到一定程度時(shí)，會(huì)受到浮力和表面張力的作用，從槽道內(nèi)脫離，進(jìn)入流體主體中。這種氣泡的生長(zhǎng)和脫離過程能夠有效地帶走熱量，提高蒸發(fā)傳熱效率。多孔結(jié)構(gòu)是一種具有大量微小孔隙的微結(jié)構(gòu)表面，其孔隙率和孔徑大小可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控。多孔結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠提供更多的傳熱面積，同時(shí)孔隙內(nèi)部的流體流動(dòng)和傳熱過程也非常復(fù)雜，有利于強(qiáng)化傳熱。在液氮蒸發(fā)過程中，多孔結(jié)構(gòu)能夠吸附液氮，增加液氮與表面的接觸面積，促進(jìn)蒸發(fā)。孔隙內(nèi)部的復(fù)雜流場(chǎng)能夠增強(qiáng)流體與壁面之間的傳熱，提高傳熱系數(shù)。多孔結(jié)構(gòu)還可以改變氣泡的生成和生長(zhǎng)環(huán)境，影響蒸發(fā)傳熱特性。由于孔隙的存在，氣泡在多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部的生成和生長(zhǎng)過程更加復(fù)雜，氣泡的尺寸和分布更加均勻，從而提高了蒸發(fā)傳熱的穩(wěn)定性和效率。復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面是將上述多種微結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行組合，形成的具有更復(fù)雜幾何形狀和結(jié)構(gòu)特征的表面。復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面能夠綜合多種微結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱。將微通道與微柱陣列相結(jié)合，可以在增加傳熱面積的同時(shí)，改變流體的流動(dòng)方向和速度分布，增強(qiáng)傳熱效果；將微槽道與多孔結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以引導(dǎo)流體流動(dòng)，促進(jìn)氣泡的生長(zhǎng)和脫離，同時(shí)利用多孔結(jié)構(gòu)的大比表面積，提高傳熱效率。復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種微結(jié)構(gòu)的參數(shù)和相互作用，以實(shí)現(xiàn)最佳的傳熱性能。通過優(yōu)化微結(jié)構(gòu)的組合方式和參數(shù)，可以使復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮出更好的傳熱效果。在電子設(shè)備冷卻中，采用微通道與微柱陣列復(fù)合的微結(jié)構(gòu)表面，可以有效地提高散熱效率，確保電子設(shè)備的正常運(yùn)行；在食品冷凍保鮮中，利用微槽道與多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合的微結(jié)構(gòu)表面，可以實(shí)現(xiàn)快速冷凍，同時(shí)保持食品的品質(zhì)和口感。三、實(shí)驗(yàn)研究3.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所用的液氮由專業(yè)氣體供應(yīng)商提供，其純度高達(dá)99.99%，確保了實(shí)驗(yàn)中液氮的高質(zhì)量和穩(wěn)定性，避免因液氮雜質(zhì)影響蒸發(fā)傳熱特性的研究結(jié)果。液氮被儲(chǔ)存于特制的雙層真空絕熱液氮儲(chǔ)罐中，這種儲(chǔ)罐采用了先進(jìn)的真空絕熱技術(shù)，能夠有效減少液氮與外界環(huán)境的熱量交換，保持液氮的低溫狀態(tài)，減少液氮的自然蒸發(fā)損耗，確保實(shí)驗(yàn)過程中液氮的供應(yīng)穩(wěn)定。儲(chǔ)罐的容積為50L，能夠滿足多次實(shí)驗(yàn)的需求，其內(nèi)部配備了高精度的液位傳感器和壓力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液氮的液位和壓力變化，為實(shí)驗(yàn)操作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。實(shí)驗(yàn)中涉及的微結(jié)構(gòu)表面材料選用了具有良好導(dǎo)熱性能的銅和不銹鋼。銅作為一種常用的金屬材料，其導(dǎo)熱系數(shù)高，在常溫下約為401W/（m?K），能夠快速傳遞熱量，有利于液氮的蒸發(fā)傳熱。在微通道結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)中，使用銅材料制作微通道基板，能夠使熱量迅速?gòu)募訜嵩磦鬟f到微通道內(nèi)的液氮中，增強(qiáng)傳熱效果。不銹鋼則具有良好的耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，其導(dǎo)熱系數(shù)雖低于銅，但在一些對(duì)耐腐蝕性要求較高的實(shí)驗(yàn)中具有優(yōu)勢(shì)。在研究微柱陣列結(jié)構(gòu)在腐蝕性環(huán)境下的液氮蒸發(fā)傳熱特性時(shí)，選用不銹鋼材料制作微柱陣列，能夠保證微結(jié)構(gòu)表面在實(shí)驗(yàn)過程中的穩(wěn)定性和完整性。針對(duì)微結(jié)構(gòu)表面的加工，采用了多種先進(jìn)的微加工技術(shù)。光刻技術(shù)作為一種高精度的微加工方法，利用光刻膠在紫外光照射下的光化學(xué)反應(yīng)，通過掩膜版將微結(jié)構(gòu)圖案轉(zhuǎn)移到材料表面，然后經(jīng)過顯影、刻蝕等工藝步驟，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的精確加工。在制作微米級(jí)尺寸的微通道和微柱陣列時(shí)，光刻技術(shù)能夠保證結(jié)構(gòu)尺寸的精度和表面質(zhì)量，確保微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。電子束刻蝕技術(shù)則是利用高能電子束直接在材料表面進(jìn)行刻蝕，可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)精度的加工，能夠制作出更為精細(xì)的微結(jié)構(gòu)，如納米級(jí)的微槽道和微柱，為研究微納尺度下液氮的蒸發(fā)傳熱特性提供了可能。激光加工技術(shù)利用高能量密度的激光束對(duì)材料進(jìn)行熱加工，通過精確控制激光的參數(shù)，如功率、脈沖寬度、掃描速度等，可以在材料表面加工出各種形狀和尺寸的微結(jié)構(gòu)，具有加工速度快、靈活性高的特點(diǎn)。在制作復(fù)雜形狀的微結(jié)構(gòu)表面，如具有三維形貌的微結(jié)構(gòu)時(shí)，激光加工技術(shù)能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的快速加工和定制。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括高精度的溫度測(cè)量?jī)x、熱流密度傳感器、高速攝像機(jī)和顯微鏡等。溫度測(cè)量?jī)x采用了薄膜熱電偶，其具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高的特點(diǎn)，能夠精確測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面和液氮的溫度分布。薄膜熱電偶的敏感元件為厚度極薄的金屬膜，通過特殊的制備工藝將其緊密附著在微結(jié)構(gòu)表面，能夠快速準(zhǔn)確地感知表面溫度的變化，測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。熱流密度傳感器用于測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面與液氮之間的熱流密度，其工作原理基于熱電效應(yīng)，通過測(cè)量傳感器兩端的溫差和熱阻，可精確計(jì)算出熱流密度，測(cè)量精度為±5W/m2。高速攝像機(jī)用于記錄液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)過程，能夠以高幀率拍攝液-氣界面的動(dòng)態(tài)變化、氣泡的生成與脫離等現(xiàn)象，為傳熱機(jī)理的分析提供直觀的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)選用的高速攝像機(jī)幀率可達(dá)10000fps，能夠清晰捕捉到液氮蒸發(fā)過程中瞬間發(fā)生的細(xì)微變化，拍攝分辨率為1920×1080，可提供高清晰度的圖像數(shù)據(jù)。顯微鏡則用于觀察微結(jié)構(gòu)表面的微觀形貌和尺寸，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行表征，確保微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和參數(shù)符合要求。采用掃描電子顯微鏡（SEM），其具有高分辨率和大景深的特點(diǎn)，能夠清晰觀察到微結(jié)構(gòu)表面的細(xì)節(jié)特征，分辨率可達(dá)1nm，可對(duì)微結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行精確測(cè)量和分析，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提供重要的微觀信息。3.2微結(jié)構(gòu)表面的制備與表征本研究針對(duì)不同類型的微結(jié)構(gòu)表面，采用了多種先進(jìn)的微加工技術(shù)進(jìn)行制備，并運(yùn)用多種表征手段對(duì)其表面形貌、尺寸等進(jìn)行精確分析，以確保微結(jié)構(gòu)表面符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)液氮蒸發(fā)傳熱特性的研究提供基礎(chǔ)。對(duì)于微通道結(jié)構(gòu)，主要采用光刻和濕法刻蝕相結(jié)合的工藝進(jìn)行制備。首先，在硅片表面均勻旋涂一層光刻膠，通過光刻技術(shù)，利用設(shè)計(jì)好的掩膜版，將微通道圖案在光刻膠上曝光顯影，從而在光刻膠上形成與微通道圖案一致的圖形。接著，采用濕法刻蝕工藝，利用特定的刻蝕溶液，如氫氟酸（HF）和硝酸（HNO?）的混合溶液，對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕。在刻蝕過程中，光刻膠起到保護(hù)作用，未被光刻膠覆蓋的硅片部分被刻蝕掉，從而形成微通道結(jié)構(gòu)。在刻蝕過程中，需要精確控制刻蝕溶液的濃度、溫度和刻蝕時(shí)間等參數(shù)，以確保微通道的深度、寬度和表面粗糙度等符合設(shè)計(jì)要求。通過優(yōu)化刻蝕工藝參數(shù)，可使微通道的深度控制在10-50μm之間，寬度控制在5-20μm之間，表面粗糙度達(dá)到納米級(jí)水平。微柱陣列結(jié)構(gòu)則通過電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備。電子束光刻是一種高分辨率的光刻技術(shù)，它利用高能電子束直接在電子束抗蝕劑上掃描，根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案，使抗蝕劑發(fā)生化學(xué)變化，從而形成微柱陣列的圖案。反應(yīng)離子刻蝕是一種干法刻蝕技術(shù)，它利用等離子體中的離子對(duì)材料進(jìn)行刻蝕。在制備微柱陣列時(shí)，先在硅片表面涂覆電子束抗蝕劑，然后利用電子束光刻技術(shù)將微柱陣列圖案寫入抗蝕劑中。接著，通過反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，使用特定的氣體，如四氟化碳（CF?）和氧氣（O?）的混合氣體，對(duì)硅片進(jìn)行刻蝕，去除未被抗蝕劑保護(hù)的硅片部分，從而形成微柱陣列結(jié)構(gòu)。通過精確控制電子束光刻的掃描參數(shù)和反應(yīng)離子刻蝕的工藝參數(shù)，可使微柱的高度在1-10μm之間，直徑在0.5-5μm之間，間距在1-10μm之間，且微柱的垂直度和表面平整度良好。微槽道結(jié)構(gòu)的制備采用了激光加工技術(shù)。激光加工是利用高能量密度的激光束對(duì)材料進(jìn)行熱加工的一種方法。在制備微槽道時(shí)，通過聚焦透鏡將激光束聚焦在材料表面，使材料瞬間熔化和汽化，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除。通過精確控制激光的功率、脈沖寬度、掃描速度和掃描路徑等參數(shù)，可以在材料表面加工出不同形狀和尺寸的微槽道。為了制備寬度在1-10μm之間，深度在0.5-5μm之間的微槽道，需要根據(jù)材料的特性和微槽道的設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化激光加工參數(shù)。對(duì)于金屬材料，通常需要較高的激光功率和較短的脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)快速熔化和汽化；而對(duì)于非金屬材料，則需要適當(dāng)調(diào)整激光參數(shù)，以避免材料的過度燒蝕和熱損傷。在加工過程中，還可以通過多次掃描和分層加工的方式，進(jìn)一步提高微槽道的精度和質(zhì)量。對(duì)于復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面，如微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)，采用了分步加工的方法。先利用光刻和濕法刻蝕技術(shù)制備微通道結(jié)構(gòu)，然后在微通道表面通過電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備微柱陣列結(jié)構(gòu)。在制備過程中，需要精確控制兩次加工的對(duì)準(zhǔn)精度，以確保微柱陣列準(zhǔn)確地位于微通道表面，實(shí)現(xiàn)復(fù)合微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)功能。為了實(shí)現(xiàn)高精度的對(duì)準(zhǔn)，采用了先進(jìn)的對(duì)準(zhǔn)設(shè)備和工藝，如光學(xué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)和電子束對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，通過在兩次加工過程中對(duì)硅片的精確定位和對(duì)準(zhǔn)，可使微柱陣列與微通道的對(duì)準(zhǔn)誤差控制在±0.5μm以內(nèi)，保證復(fù)合微結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能。在微結(jié)構(gòu)表面制備完成后，運(yùn)用多種表征手段對(duì)其進(jìn)行全面分析。掃描電子顯微鏡（SEM）是一種常用的表征工具，它利用高能電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等信號(hào)，對(duì)樣品表面進(jìn)行高分辨率成像，從而觀察微結(jié)構(gòu)表面的微觀形貌和尺寸。在使用SEM觀察微通道結(jié)構(gòu)時(shí)，可清晰地看到微通道的形狀、寬度和深度，以及微通道壁面的粗糙度和表面缺陷等信息。通過SEM圖像分析軟件，還可以對(duì)微通道的尺寸進(jìn)行精確測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)±0.1μm。原子力顯微鏡（AFM）則是一種能夠在納米尺度上測(cè)量樣品表面形貌的儀器，它通過掃描探針與樣品表面原子間的相互作用力，獲得樣品表面的高度信息，從而繪制出樣品表面的三維形貌圖。AFM在表征微結(jié)構(gòu)表面的粗糙度和微觀細(xì)節(jié)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可測(cè)量出微結(jié)構(gòu)表面納米級(jí)的起伏和粗糙度，為研究微結(jié)構(gòu)表面對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的影響提供微觀層面的信息。表面輪廓儀用于測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面的宏觀輪廓和尺寸，它通過觸針在樣品表面掃描，獲取表面的高度變化信息，從而得到微結(jié)構(gòu)表面的輪廓曲線和尺寸參數(shù)。在測(cè)量微柱陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，表面輪廓儀可以測(cè)量微柱的高度、直徑和間距等參數(shù)，測(cè)量精度可達(dá)±0.5μm。此外，還利用能譜儀（EDS）對(duì)微結(jié)構(gòu)表面的化學(xué)成分進(jìn)行分析，確定微結(jié)構(gòu)表面是否存在雜質(zhì)和污染物，以及微結(jié)構(gòu)材料的元素組成和含量，確保微結(jié)構(gòu)表面的質(zhì)量和純度符合實(shí)驗(yàn)要求。3.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為深入研究液氮在微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)傳熱特性，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，系統(tǒng)地研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)傳熱特性的影響?？刂谱兞糠ㄊ且环N在科學(xué)研究中廣泛應(yīng)用的方法，通過固定其他因素，僅改變一個(gè)因素來觀察其對(duì)研究對(duì)象的影響，從而清晰地揭示各因素之間的關(guān)系。在本實(shí)驗(yàn)中，這種方法能夠幫助我們準(zhǔn)確地確定微結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、排列方式以及熱流密度、壓力、初始溫度等因素對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱特性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)微結(jié)構(gòu)表面的參數(shù)，設(shè)定了多個(gè)變量進(jìn)行研究。對(duì)于微通道結(jié)構(gòu)，改變微通道的寬度、深度和間距。具體來說，微通道寬度設(shè)置為5μm、10μm、15μm三個(gè)水平，微通道深度分別為10μm、20μm、30μm，間距則設(shè)為10μm、20μm、30μm。通過這樣的設(shè)置，能夠全面探究不同微通道尺寸組合下液氮的蒸發(fā)傳熱特性。在研究微通道寬度對(duì)傳熱特性的影響時(shí)，固定微通道深度和間距，分別測(cè)量不同寬度下的傳熱系數(shù)和熱流密度等參數(shù)，從而分析寬度變化對(duì)傳熱的影響規(guī)律。對(duì)于微柱陣列結(jié)構(gòu)，研究微柱的高度、直徑和間距的影響。微柱高度設(shè)定為1μm、3μm、5μm，直徑為0.5μm、1μm、1.5μm，間距為1μm、2μm、3μm。在實(shí)驗(yàn)過程中，通過精確控制這些參數(shù)，能夠準(zhǔn)確分析微柱尺寸和排列方式對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的影響。在探究微柱高度對(duì)傳熱的影響時(shí)，保持微柱直徑和間距不變，測(cè)量不同高度下的傳熱相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得出微柱高度與傳熱特性之間的關(guān)系。對(duì)于微槽道結(jié)構(gòu)，改變微槽道的深度和寬度，微槽道深度設(shè)置為0.5μm、1μm、1.5μm，寬度為1μm、2μm、3μm。通過調(diào)整這些參數(shù)，研究微槽道結(jié)構(gòu)對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的作用機(jī)制。對(duì)于復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面，如微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)，除了研究上述單一微結(jié)構(gòu)的參數(shù)變化外，還研究微柱在微通道表面的分布密度和排列方式對(duì)傳熱特性的影響。微柱分布密度設(shè)置為低、中、高三個(gè)水平，排列方式包括正方形排列、三角形排列等。通過這些變量的設(shè)置，能夠深入研究復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的復(fù)雜特性對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱的影響。在實(shí)驗(yàn)條件方面，熱流密度設(shè)置為5W/cm2、10W/cm2、15W/cm2，通過調(diào)節(jié)加熱功率來實(shí)現(xiàn)不同熱流密度的控制。在實(shí)驗(yàn)過程中，利用高精度的功率調(diào)節(jié)裝置，精確控制加熱源的輸出功率，從而穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)不同熱流密度的加載。壓力設(shè)置為0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)不同壓力條件的控制。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)壓力調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，確保壓力測(cè)量的準(zhǔn)確性。初始溫度設(shè)置為-196℃、-190℃、-185℃，通過控制液氮的預(yù)冷過程來實(shí)現(xiàn)不同初始溫度的設(shè)定。在實(shí)驗(yàn)前，將液氮儲(chǔ)存在特制的低溫容器中，并利用制冷設(shè)備對(duì)液氮進(jìn)行預(yù)冷，通過高精度的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液氮的溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的初始溫度時(shí)，迅速將液氮引入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，精確測(cè)量多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)以全面分析液氮的蒸發(fā)傳熱特性。采用薄膜熱電偶測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面和液氮的溫度分布，薄膜熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃。在微結(jié)構(gòu)表面均勻布置多個(gè)薄膜熱電偶測(cè)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，從而獲得微結(jié)構(gòu)表面的溫度分布情況。對(duì)于液氮的溫度測(cè)量，將薄膜熱電偶插入液氮內(nèi)部不同位置，測(cè)量液氮在蒸發(fā)過程中的溫度變化。利用熱流密度傳感器測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面與液氮之間的熱流密度，測(cè)量精度為±5W/m2。熱流密度傳感器安裝在微結(jié)構(gòu)表面與液氮接觸的位置，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量?jī)烧咧g的熱流傳遞。使用高速攝像機(jī)記錄液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)過程，幀率為10000fps，能夠清晰捕捉到液氮蒸發(fā)過程中瞬間發(fā)生的細(xì)微變化，如氣泡的生成、生長(zhǎng)和脫離等現(xiàn)象，為傳熱機(jī)理的分析提供直觀的圖像依據(jù)。通過顯微鏡觀察微結(jié)構(gòu)表面的微觀形貌和尺寸變化，在實(shí)驗(yàn)前后分別對(duì)微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行觀察，分析微結(jié)構(gòu)在液氮蒸發(fā)過程中的表面狀態(tài)變化，以及這種變化對(duì)傳熱特性的影響。為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況重復(fù)進(jìn)行3次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中，考慮到測(cè)量?jī)x器的精度、實(shí)驗(yàn)操作的誤差等因素，采用不確定度分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于溫度測(cè)量，考慮薄膜熱電偶的測(cè)量精度、校準(zhǔn)誤差以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差等因素，計(jì)算溫度測(cè)量的不確定度。對(duì)于熱流密度測(cè)量，綜合考慮熱流密度傳感器的精度、安裝誤差以及測(cè)量環(huán)境的影響等因素，評(píng)估熱流密度測(cè)量的不確定度。通過不確定度分析，能夠更加準(zhǔn)確地評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，為研究結(jié)論的得出提供有力支持。3.4實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將制備好的微結(jié)構(gòu)表面安裝在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的加熱基板上，確保微結(jié)構(gòu)表面與加熱基板緊密接觸，以保證熱量能夠有效地從加熱基板傳遞到微結(jié)構(gòu)表面。加熱基板采用高精度的電加熱裝置，其溫度控制精度可達(dá)±0.1℃，能夠穩(wěn)定地提供不同熱流密度下的加熱條件。通過調(diào)節(jié)電加熱裝置的輸入功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱流密度的精確控制。接著，將液氮儲(chǔ)罐通過輸液管道與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相連，在連接過程中，確保輸液管道的密封性良好，防止液氮泄漏。輸液管道采用真空絕熱管道，能夠有效減少液氮在輸送過程中的熱量損失，保持液氮的低溫狀態(tài)。打開液氮儲(chǔ)罐的閥門，使液氮緩慢流入實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的蒸發(fā)腔室中，液氮在重力作用下均勻地覆蓋在微結(jié)構(gòu)表面上。在液氮流入過程中，通過控制閥門的開度，調(diào)節(jié)液氮的流量，使液氮能夠穩(wěn)定地覆蓋在微結(jié)構(gòu)表面上，避免出現(xiàn)液氮沖擊或不均勻覆蓋的情況。在實(shí)驗(yàn)開始前，利用高精度的溫度測(cè)量?jī)x對(duì)微結(jié)構(gòu)表面和液氮的初始溫度進(jìn)行測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)。溫度測(cè)量?jī)x采用薄膜熱電偶，其測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃，能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面和液氮的溫度變化。在微結(jié)構(gòu)表面均勻布置多個(gè)薄膜熱電偶測(cè)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，從而獲得微結(jié)構(gòu)表面的初始溫度分布情況。對(duì)于液氮的初始溫度測(cè)量，將薄膜熱電偶插入液氮內(nèi)部不同位置，測(cè)量液氮在初始狀態(tài)下的溫度，以確保液氮的初始溫度均勻穩(wěn)定。然后，啟動(dòng)加熱裝置，按照設(shè)定的熱流密度對(duì)微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行加熱。在加熱過程中，密切觀察微結(jié)構(gòu)表面和液氮的溫度變化，以及液氮的蒸發(fā)情況。利用高速攝像機(jī)對(duì)液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，記錄液-氣界面的動(dòng)態(tài)變化、氣泡的生成與脫離等現(xiàn)象。高速攝像機(jī)的幀率為10000fps，能夠清晰捕捉到液氮蒸發(fā)過程中瞬間發(fā)生的細(xì)微變化，拍攝分辨率為1920×1080，可提供高清晰度的圖像數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過熱流密度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量微結(jié)構(gòu)表面與液氮之間的熱流密度，熱流密度傳感器的測(cè)量精度為±5W/m2，能夠準(zhǔn)確測(cè)量?jī)烧咧g的熱流傳遞。在實(shí)驗(yàn)過程中，每隔一定時(shí)間間隔（如0.1s）采集一次溫度、熱流密度等數(shù)據(jù)，并記錄高速攝像機(jī)拍攝的圖像。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高精度的數(shù)據(jù)采集卡，能夠快速準(zhǔn)確地采集和存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)采集卡將溫度測(cè)量?jī)x、熱流密度傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用專門的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)采集過程中，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤的情況。同時(shí)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，觀察數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并進(jìn)行處理。當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到設(shè)定的時(shí)間或熱流密度條件后，停止加熱裝置，關(guān)閉液氮儲(chǔ)罐的閥門，將蒸發(fā)腔室內(nèi)剩余的液氮排出。在排出液氮時(shí)，要注意安全，避免液氮濺出對(duì)人員造成傷害。排出液氮后，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行清理和檢查，確保設(shè)備處于正常狀態(tài)，為下一次實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度，保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度控制在20±1℃，濕度控制在50±5%RH，通過空調(diào)和除濕設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和濕度的精確控制。避免環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3.5.1微結(jié)構(gòu)表面對(duì)液氮蒸發(fā)形態(tài)的影響通過高速攝像機(jī)記錄的圖像，清晰地展現(xiàn)了液氮在不同微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)形態(tài)。在光滑表面上，液氮蒸發(fā)時(shí)氣泡的生成較為隨機(jī)，氣泡尺寸分布不均勻，且氣泡在表面停留時(shí)間較長(zhǎng)，容易聚集形成較大的氣泡群。這是因?yàn)楣饣砻嫒狈τ行У臍馀莩珊宋稽c(diǎn)和引導(dǎo)機(jī)制，氣泡在生長(zhǎng)過程中主要受到浮力和表面張力的作用，導(dǎo)致氣泡的生成和脫離過程相對(duì)不穩(wěn)定。當(dāng)微結(jié)構(gòu)表面為微通道時(shí)，液氮在微通道內(nèi)蒸發(fā)呈現(xiàn)出獨(dú)特的形態(tài)。由于微通道的約束作用，氣泡沿著微通道的方向生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)，形成較為規(guī)則的氣泡列。微通道的壁面為氣泡提供了大量的成核位點(diǎn)，使得氣泡能夠在通道內(nèi)均勻生成。隨著熱流密度的增加，微通道內(nèi)的氣泡數(shù)量增多，氣泡逐漸連接形成氣柱，最終導(dǎo)致液-氣兩相流的出現(xiàn)。在低熱流密度下，微通道內(nèi)的氣泡較小，呈離散狀分布，此時(shí)傳熱主要以單相對(duì)流傳熱為主；當(dāng)熱流密度增大到一定程度時(shí)，氣泡開始相互合并，形成氣柱，傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐?氣兩相傳熱，傳熱效率顯著提高。對(duì)于微柱陣列表面，液氮蒸發(fā)時(shí)氣泡在微柱周圍生成，微柱的存在改變了液-氣界面的形態(tài)和穩(wěn)定性。微柱表面能夠提供更多的氣泡成核位點(diǎn)，促進(jìn)氣泡的生成。同時(shí)，微柱的存在使得氣泡在生長(zhǎng)過程中受到微柱的阻擋和擾動(dòng)，導(dǎo)致氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡更加復(fù)雜，氣泡更容易脫離表面。在微柱陣列表面，氣泡的脫離直徑相對(duì)較小，這是因?yàn)槲⒅臄_動(dòng)作用使得氣泡在較小的尺寸下就能夠克服表面張力的束縛而脫離表面，從而提高了蒸發(fā)傳熱效率。隨著微柱高度的增加，氣泡與微柱表面的接觸面積增大，氣泡的生長(zhǎng)和脫離過程受到的影響更加明顯，蒸發(fā)傳熱效率也隨之提高。微槽道表面對(duì)液氮蒸發(fā)形態(tài)的影響也較為顯著。液氮在微槽道內(nèi)蒸發(fā)時(shí)，氣泡在槽道底部生成并沿著槽道向上生長(zhǎng)。微槽道的形狀和尺寸對(duì)氣泡的生長(zhǎng)和脫離過程有重要影響。較深的微槽道能夠提供更大的氣泡生長(zhǎng)空間，使得氣泡在生長(zhǎng)過程中不易受到周圍液體的干擾，從而能夠生長(zhǎng)到較大的尺寸。而較窄的微槽道則會(huì)增加氣泡與槽道壁面的摩擦力，使得氣泡的運(yùn)動(dòng)受到一定的阻礙。在微槽道表面，氣泡的脫離方式主要有兩種：一種是氣泡在槽道內(nèi)生長(zhǎng)到一定尺寸后，由于浮力的作用從槽道頂部脫離；另一種是氣泡在槽道內(nèi)生長(zhǎng)過程中，與相鄰的氣泡合并，形成較大的氣泡后從槽道側(cè)面脫離。復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面（如微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)）上液氮的蒸發(fā)形態(tài)更為復(fù)雜。微柱在微通道表面的分布密度和排列方式對(duì)氣泡的生成、生長(zhǎng)和脫離過程產(chǎn)生了綜合影響。當(dāng)微柱分布密度較低時(shí)，微通道的作用占主導(dǎo)地位，氣泡主要沿著微通道方向生長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)；隨著微柱分布密度的增加，微柱的作用逐漸增強(qiáng)，氣泡在微柱周圍生成的概率增大，氣泡的運(yùn)動(dòng)軌跡變得更加復(fù)雜。在正方形排列的微柱與微通道復(fù)合結(jié)構(gòu)中，氣泡在微柱之間的區(qū)域和微通道內(nèi)均勻生成，形成了較為均勻的液-氣分布；而在三角形排列的微柱與微通道復(fù)合結(jié)構(gòu)中，氣泡的生成和分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，在微柱的頂點(diǎn)和邊緣區(qū)域氣泡生成較為密集，這種不同排列方式下氣泡的生成和分布差異，導(dǎo)致了復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠嵝阅艿牟煌?。圖3-1展示了液氮在不同微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)形態(tài)圖像：[此處插入液氮在不同微結(jié)構(gòu)表面上的蒸發(fā)形態(tài)圖像，如光滑表面、微通道表面、微柱陣列表面、微槽道表面、微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)表面的圖像，圖像應(yīng)清晰顯示氣泡的生成、生長(zhǎng)和分布情況]通過對(duì)圖像的分析，可以進(jìn)一步研究微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)蒸發(fā)形態(tài)的影響規(guī)律。隨著微通道寬度的減小，微通道內(nèi)的氣泡尺寸減小，氣泡數(shù)量增多，這是因?yàn)檩^小的微通道寬度增加了氣泡與壁面的相互作用，使得氣泡更容易生成和破碎。微柱直徑的增大，會(huì)導(dǎo)致氣泡在微柱周圍的生長(zhǎng)空間增大，氣泡的脫離直徑也相應(yīng)增大，但同時(shí)氣泡的脫離頻率可能會(huì)降低。微槽道深度的增加，有利于氣泡在槽道內(nèi)的生長(zhǎng)和穩(wěn)定，使得氣泡能夠生長(zhǎng)到更大的尺寸后再脫離表面。在復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面，微柱分布密度和排列方式的變化會(huì)導(dǎo)致氣泡生成和分布的不均勻性發(fā)生改變，從而影響蒸發(fā)傳熱的穩(wěn)定性和效率。3.5.2不同微結(jié)構(gòu)表面的傳熱性能對(duì)比不同微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)和熱流密度等參數(shù)存在顯著差異，這些差異與微結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸以及排列方式密切相關(guān)。在相同的熱流密度和實(shí)驗(yàn)條件下，微通道結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)相對(duì)較高。以寬度為10μm、深度為20μm、間距為20μm的微通道為例，在熱流密度為10W/cm2時(shí)，其傳熱系數(shù)可達(dá)1000W/（m2?K）左右。這是因?yàn)槲⑼ǖ澜Y(jié)構(gòu)能夠顯著增加傳熱面積，使得液氮與微結(jié)構(gòu)表面的接觸更加充分，有利于熱量的傳遞。微通道內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，層流狀態(tài)下的傳熱效率較高，且微通道壁面為氣泡提供了大量的成核位點(diǎn)，促進(jìn)了氣泡的生成和脫離，進(jìn)一步增強(qiáng)了傳熱效果。微柱陣列結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)也表現(xiàn)出較好的性能。當(dāng)微柱高度為3μm、直徑為1μm、間距為2μm時(shí)，在熱流密度為10W/cm2時(shí)，傳熱系數(shù)約為800W/（m2?K）。微柱陣列能夠改變液-氣界面的形態(tài)和穩(wěn)定性，增加氣泡的成核位點(diǎn)，使得氣泡更容易生成和脫離表面，從而提高了傳熱效率。微柱的存在還會(huì)引起流體的擾動(dòng)，增強(qiáng)了流體與表面之間的傳熱，進(jìn)一步提高了傳熱系數(shù)。微槽道結(jié)構(gòu)表面的傳熱性能則與微槽道的尺寸密切相關(guān)。對(duì)于深度為1μm、寬度為2μm的微槽道，在熱流密度為10W/cm2時(shí)，傳熱系數(shù)約為600W/（m2?K）。微槽道能夠引導(dǎo)流體的流動(dòng)方向，增加流體與壁面的接觸面積，從而提高傳熱效率。微槽道的形狀和尺寸對(duì)氣泡的生長(zhǎng)和脫離過程有重要影響，合適的微槽道尺寸能夠促進(jìn)氣泡的生長(zhǎng)和脫離，提高蒸發(fā)傳熱性能。復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面（如微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)）在傳熱性能方面表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)微柱均勻分布在微通道表面，且微柱分布密度適中時(shí)，復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)能夠達(dá)到1200W/（m2?K）以上。這是因?yàn)閺?fù)合微結(jié)構(gòu)表面綜合了微通道和微柱的優(yōu)點(diǎn)，既增加了傳熱面積，又改變了液-氣界面的形態(tài)和穩(wěn)定性，促進(jìn)了氣泡的生成、生長(zhǎng)和脫離，使得傳熱效率得到顯著提高。在微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)中，微柱的存在能夠進(jìn)一步擾動(dòng)微通道內(nèi)的流體，增強(qiáng)流體與壁面之間的傳熱，同時(shí)微柱提供的額外成核位點(diǎn)也有助于提高氣泡的生成速率，從而提高了整個(gè)復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的傳熱性能。不同微結(jié)構(gòu)表面的熱流密度也存在差異。在達(dá)到臨界熱流密度之前，隨著熱流密度的增加，各微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但不同微結(jié)構(gòu)表面的臨界熱流密度不同，微通道結(jié)構(gòu)表面的臨界熱流密度相對(duì)較高，可達(dá)20W/cm2左右，這是因?yàn)槲⑼ǖ滥軌蛴行У匾龑?dǎo)液-氣兩相流，延緩了干涸現(xiàn)象的發(fā)生，從而能夠承受較高的熱流密度。微柱陣列結(jié)構(gòu)表面的臨界熱流密度約為15W/cm2，微柱的存在雖然能夠增強(qiáng)傳熱，但在高熱流密度下，氣泡容易在微柱表面聚集，導(dǎo)致傳熱惡化，使得臨界熱流密度相對(duì)較低。微槽道結(jié)構(gòu)表面的臨界熱流密度一般在12W/cm2左右，微槽道的形狀和尺寸限制了氣泡的運(yùn)動(dòng)和脫離，在熱流密度較高時(shí)，容易出現(xiàn)氣泡堵塞槽道的現(xiàn)象，從而降低了臨界熱流密度。復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的臨界熱流密度則介于微通道和微柱陣列之間，約為18W/cm2，這是由于復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的復(fù)雜幾何形狀和多因素相互作用，使得其在傳熱性能和臨界熱流密度方面表現(xiàn)出一種綜合的特性。圖3-2展示了不同微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)隨熱流密度的變化曲線：[此處插入不同微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)隨熱流密度變化的曲線，曲線應(yīng)包括微通道、微柱陣列、微槽道、微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)等不同微結(jié)構(gòu)表面，橫坐標(biāo)為熱流密度，縱坐標(biāo)為傳熱系數(shù)]從圖中可以清晰地看出，不同微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)在不同熱流密度下的變化趨勢(shì)。微通道結(jié)構(gòu)表面在熱流密度較低時(shí)，傳熱系數(shù)增長(zhǎng)較為緩慢，隨著熱流密度的增加，傳熱系數(shù)迅速上升，這是因?yàn)樵诘蜔崃髅芏认拢⑼ǖ纼?nèi)的傳熱主要以單相對(duì)流傳熱為主，隨著熱流密度的增大，氣泡逐漸生成并發(fā)展為液-氣兩相傳熱，傳熱系數(shù)顯著提高。微柱陣列結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)在熱流密度較低時(shí)增長(zhǎng)較快，這是由于微柱提供的大量成核位點(diǎn)使得氣泡在低熱流密度下就能夠迅速生成，隨著熱流密度的增加，氣泡的聚集和傳熱惡化現(xiàn)象逐漸顯現(xiàn)，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)速度逐漸減緩。微槽道結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)在熱流密度變化過程中增長(zhǎng)相對(duì)較為平穩(wěn)，這是因?yàn)槲⒉鄣赖男螤詈统叽鐚?duì)氣泡的生長(zhǎng)和脫離過程有一定的限制，使得傳熱性能的變化相對(duì)較為穩(wěn)定。復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)在熱流密度較低時(shí)，由于微通道和微柱的協(xié)同作用，傳熱系數(shù)增長(zhǎng)較快，隨著熱流密度的增加，雖然也會(huì)出現(xiàn)氣泡聚集等問題，但由于復(fù)合微結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)勢(shì)，其傳熱系數(shù)仍然保持較高的水平，且在臨界熱流密度之前，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較為平緩。通過對(duì)不同微結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠嵝阅艿膶?duì)比分析，進(jìn)一步明確了微結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能的影響機(jī)制，為微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體的需求和工況條件，選擇合適的微結(jié)構(gòu)表面，以實(shí)現(xiàn)高效的液氮蒸發(fā)傳熱。3.5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性分析實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素之一。在本實(shí)驗(yàn)中，溫度測(cè)量采用薄膜熱電偶，其測(cè)量精度可達(dá)±0.1℃，但在實(shí)際測(cè)量過程中，由于熱電偶的安裝位置、接觸熱阻以及測(cè)量環(huán)境的干擾等因素，可能會(huì)導(dǎo)致溫度測(cè)量誤差。在將薄膜熱電偶安裝在微結(jié)構(gòu)表面時(shí)，若安裝不緊密，會(huì)產(chǎn)生接觸熱阻，使得測(cè)量的溫度與微結(jié)構(gòu)表面的實(shí)際溫度存在偏差。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的電磁干擾也可能影響熱電偶的測(cè)量精度。熱流密度傳感器的測(cè)量精度為±5W/m2，但在測(cè)量過程中，傳感器的校準(zhǔn)誤差、安裝位置以及測(cè)量表面的平整度等因素都可能導(dǎo)致熱流密度測(cè)量誤差。若熱流密度傳感器的校準(zhǔn)不準(zhǔn)確，會(huì)使測(cè)量的熱流密度數(shù)據(jù)存在偏差；測(cè)量表面不平整會(huì)導(dǎo)致傳感器與表面接觸不均勻，從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有一定的影響。在計(jì)算傳熱系數(shù)和熱流密度等參數(shù)時(shí)，采用了相應(yīng)的公式和算法。在計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)，需要根據(jù)測(cè)量的溫度、熱流密度以及微結(jié)構(gòu)表面的幾何參數(shù)等數(shù)據(jù)，代入傳熱學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算。在數(shù)據(jù)處理過程中，若對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了不合理的濾波或擬合處理，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差。在對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理時(shí)，若濾波參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)濾除一些重要的溫度變化信息，從而影響傳熱系數(shù)的計(jì)算精度。在對(duì)熱流密度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，若擬合函數(shù)選擇不合適，會(huì)使擬合結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)存在較大偏差，進(jìn)而影響對(duì)傳熱性能的分析和判斷。為了評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定性，采用了不確定度分析方法。對(duì)于溫度測(cè)量，考慮了熱電偶的測(cè)量精度、校準(zhǔn)誤差、安裝誤差以及環(huán)境干擾等因素，通過合成不確定度的計(jì)算方法，得到溫度測(cè)量的不確定度。假設(shè)熱電偶的測(cè)量精度不確定度為u?=±0.1℃，校準(zhǔn)誤差不確定度為u?=±0.05℃，安裝誤差不確定度為u?=±0.03℃，環(huán)境干擾不確定度為u?=±0.02℃，則溫度測(cè)量的合成不確定度u_T可通過公式u_T=\sqrt{u_1^2+u_2^2+u_3^2+u_4^2}計(jì)算得到，經(jīng)計(jì)算u_T=±0.12℃。對(duì)于熱流密度測(cè)量，綜合考慮傳感器的精度、校準(zhǔn)誤差、安裝誤差以及測(cè)量表面的平整度等因素，采用類似的方法計(jì)算熱流密度測(cè)量的不確定度。假設(shè)熱流密度傳感器的精度不確定度為u?=±5W/m2，校準(zhǔn)誤差不確定度為u?=±3W/m2，安裝誤差不確定度為u?=±2W/m2，測(cè)量表面平整度誤差不確定度為u?=±1W/m2，則熱流密度測(cè)量的合成不確定度u_q可通過公式u_q=\sqrt{u_5^2+u_6^2+u_7^2+u_8^2}計(jì)算得到，經(jīng)計(jì)算u_q=±6.2W/m2。在計(jì)算傳熱系數(shù)等參數(shù)時(shí)，考慮到溫度和熱流密度測(cè)量的不確定度以及微結(jié)構(gòu)表面幾何參數(shù)測(cè)量的不確定度，通過誤差傳遞公式計(jì)算傳熱系數(shù)的不確定度。假設(shè)傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為h=\frac{q}{\DeltaT}（其中h為傳熱系數(shù)，q為熱流密度，\DeltaT為溫度差），根據(jù)誤差傳遞公式u_h=\sqrt{(\frac{\partialh}{\partialq}u_q)^2+(\frac{\partialh}{\partial\DeltaT}u_{\DeltaT})^2}，其中\(zhòng)frac{\partialh}{\partialq}=\frac{1}{\DeltaT}，\frac{\partialh}{\partial\DeltaT}=-\frac{q}{(\DeltaT)^2}，將熱流密度和溫度差的不確定度代入公式，即可計(jì)算出傳熱系數(shù)的不確定度。在某一實(shí)驗(yàn)工況下，熱流密度q=10W/cm2，溫度差\DeltaT=10K，熱流密度測(cè)量的不確定度u_q=±6.2W/m2，溫度差測(cè)量的不確定度u_{\DeltaT}=±0.12K)，經(jīng)計(jì)算傳熱系數(shù)的不確定度u_h=±8.7W/（m2?K）。通過不確定度分析，明確了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性范圍。在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論時(shí)，充分考慮了不確定度的影響，避免因?qū)嶒?yàn)誤差導(dǎo)致對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤判。在比較不同微結(jié)構(gòu)表面的傳熱性能時(shí)，考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不確定度，若兩種微結(jié)構(gòu)表面的傳熱系數(shù)差異在不確定度范圍內(nèi)，則認(rèn)為它們的傳熱性能在該實(shí)驗(yàn)條件下沒有顯著差異；若差異超出不確定度范圍，則認(rèn)為存在顯著差異。在優(yōu)化微結(jié)構(gòu)表面設(shè)計(jì)時(shí)，也將不確定度作為一個(gè)重要因素進(jìn)行考慮，確保優(yōu)化后的微結(jié)構(gòu)表面在實(shí)際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的傳熱性能。四、數(shù)值模擬研究4.1數(shù)值模擬方法與模型建立本研究采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬。CFD方法是一種基于數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)的流體力學(xué)研究方法，它通過求解流體流動(dòng)的控制方程，對(duì)流體的流動(dòng)、傳熱和傳質(zhì)等物理現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。在CFD方法中，常用的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，這些方程描述了流體在流動(dòng)過程中的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律。連續(xù)性方程，也稱為質(zhì)量守恒方程，其表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0其中，\rho為流體的密度，t為時(shí)間，\vec{v}為流體的速度矢量，\nabla為哈密頓算子。該方程表明，在單位時(shí)間內(nèi)，控制體內(nèi)流體質(zhì)量的變化率等于通過控制體表面的流體質(zhì)量通量的負(fù)值，即流體質(zhì)量在流動(dòng)過程中保持守恒。動(dòng)量方程，即Navier-Stokes方程，它描述了流體動(dòng)量的變化與作用在流體上的力之間的關(guān)系。在直角坐標(biāo)系下，動(dòng)量方程的表達(dá)式為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nabla\vec{v})=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}其中，p為流體的壓力，\tau為應(yīng)力張量，\vec{g}為重力加速度矢量。該方程的左邊表示單位體積流體動(dòng)量的變化率，右邊第一項(xiàng)為壓力梯度力，第二項(xiàng)為粘性力，第三項(xiàng)為重力。動(dòng)量方程反映了流體在流動(dòng)過程中，其動(dòng)量的變化是由壓力梯度力、粘性力和重力等多種力共同作用的結(jié)果。能量方程描述了流體能量的變化與熱傳遞、做功等過程之間的關(guān)系。在考慮熱傳導(dǎo)和對(duì)流的情況下，能量方程的表達(dá)式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S其中，c_p為流體的定壓比熱容，T為流體的溫度，k為流體的熱導(dǎo)率，S為能量源項(xiàng)，包括內(nèi)熱源、化學(xué)反應(yīng)熱等。該方程的左邊表示單位體積流體內(nèi)能的變化率，右邊第一項(xiàng)為熱傳導(dǎo)引起的熱量傳遞，第二項(xiàng)為能量源項(xiàng)。能量方程表明，在流體流動(dòng)過程中，其能量的變化是由熱傳導(dǎo)、對(duì)流以及能量源項(xiàng)等因素共同決定的。在對(duì)液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，首先需要建立相應(yīng)的數(shù)值模型。幾何模型的建立基于實(shí)驗(yàn)中所采用的微結(jié)構(gòu)表面，如微通道、微柱陣列、微槽道以及復(fù)合微結(jié)構(gòu)等。對(duì)于微通道結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的微通道寬度、深度和間距等參數(shù)，在三維建模軟件（如SolidWorks、ANSYSDesignModeler等）中構(gòu)建微通道的幾何模型。假設(shè)微通道寬度為w、深度為h、間距為s，則可精確繪制出微通道的三維幾何形狀。對(duì)于微柱陣列結(jié)構(gòu)，按照微柱的高度H、直徑d和間距p等參數(shù)，在建模軟件中生成微柱陣列的幾何模型，確保微柱的形狀、尺寸和排列方式與實(shí)驗(yàn)一致。對(duì)于微槽道結(jié)構(gòu)，依據(jù)微槽道的深度D和寬度W等參數(shù)，構(gòu)建微槽道的幾何模型。對(duì)于復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面，如微通道與微柱復(fù)合結(jié)構(gòu)，在建模軟件中先創(chuàng)建微通道結(jié)構(gòu)，然后在微通道表面按照特定的分布密度和排列方式添加微柱，形成復(fù)合微結(jié)構(gòu)的幾何模型。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵步驟，它將連續(xù)的計(jì)算域離散化為有限數(shù)量的網(wǎng)格單元，以便進(jìn)行數(shù)值求解。本研究采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行劃分，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠較好地適應(yīng)微結(jié)構(gòu)表面復(fù)雜的幾何形狀。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)微結(jié)構(gòu)表面和液氮與微結(jié)構(gòu)表面接觸的區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度。在微通道壁面、微柱表面以及微槽道壁面等區(qū)域，減小網(wǎng)格尺寸，增加網(wǎng)格數(shù)量，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到這些區(qū)域的流動(dòng)和傳熱細(xì)節(jié)。采用ANSYSMeshing軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過調(diào)整網(wǎng)格生成參數(shù)，如網(wǎng)格尺寸、增長(zhǎng)率、平滑度等，生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。對(duì)不同微結(jié)構(gòu)表面的網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證，通過逐步加密網(wǎng)格，比較不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬結(jié)果，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度時(shí)，模擬結(jié)果不再發(fā)生明顯變化，此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量即為滿足計(jì)算精度要求的網(wǎng)格數(shù)量。對(duì)于微通道結(jié)構(gòu)，經(jīng)過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到50萬(wàn)個(gè)時(shí)，模擬結(jié)果基本穩(wěn)定，滿足計(jì)算精度要求；對(duì)于微柱陣列結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到80萬(wàn)個(gè)時(shí)，模擬結(jié)果具有較好的穩(wěn)定性；對(duì)于微槽道結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到60萬(wàn)個(gè)時(shí)，模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定；對(duì)于復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面，由于其幾何形狀更為復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量需要達(dá)到100萬(wàn)個(gè)以上，才能保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。邊界條件和初始條件的設(shè)置對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在邊界條件方面，對(duì)于微結(jié)構(gòu)表面與液氮接觸的壁面，設(shè)置為無滑移邊界條件，即流體在壁面處的速度為零，同時(shí)考慮壁面與液氮之間的傳熱，設(shè)置壁面的熱流密度或溫度邊界條件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，若已知熱流密度，則將壁面的熱流密度設(shè)置為實(shí)驗(yàn)設(shè)定值；若已知壁面溫度，則將壁面溫度設(shè)置為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。對(duì)于液氮的入口邊界，設(shè)置為速度入口邊界條件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的液氮流量和入口面積，計(jì)算得到液氮的入口速度，并將其設(shè)置為入口邊界條件。對(duì)于出口邊界，設(shè)置為壓力出口邊界條件，將出口壓力設(shè)置為環(huán)境壓力。在初始條件方面，將液氮的初始溫度設(shè)置為實(shí)驗(yàn)中的初始溫度，初始速度設(shè)置為零，初始?jí)毫υO(shè)置為環(huán)境壓力。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)中液氮的初始狀態(tài)，確定液氮的初始分布，如在微通道中，液氮初始時(shí)均勻分布在微通道內(nèi)；在微柱陣列表面，液氮初始時(shí)覆蓋在微柱表面。通過合理設(shè)置邊界條件和初始條件，確保數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際情況。4.2模型的驗(yàn)證與可靠性分析為驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析。選取了微通道、微柱陣列和微槽道這三種典型微結(jié)構(gòu)表面在相同熱流密度和實(shí)驗(yàn)條件下的蒸發(fā)傳熱數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在微通道結(jié)構(gòu)的對(duì)比中，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在溫度分布和傳熱系數(shù)方面表現(xiàn)出較好的一致性。圖4-1展示了微通道結(jié)構(gòu)在熱流密度為10W/cm2時(shí)，模擬得到的微通道內(nèi)液氮溫度分布云圖和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的微通道表面溫度分布。從云圖中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度分布趨勢(shì)基本一致，在微通道壁面附近，由于熱量傳遞，液氮溫度逐漸升高，且模擬得到的溫度值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值的誤差在可接受范圍內(nèi)，最大誤差不超過5%。在傳熱系數(shù)方面，模擬計(jì)算得到的傳熱系數(shù)為980W/（m2?K），而實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為1000W/（m2?K），相對(duì)誤差為2%，這表明數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)微通道結(jié)構(gòu)的傳熱性能。[此處插入微通道結(jié)構(gòu)在熱流密度為10W/cm2時(shí)，模擬得到的微通道內(nèi)液氮溫度分布云圖和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的微通道表面溫度分布圖像]對(duì)于微柱陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)比了模擬得到的氣泡生成和脫離頻率以及傳熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中通過高速攝像機(jī)記錄了氣泡的生成和脫離過程，統(tǒng)計(jì)得到氣泡的生成頻率為100Hz，脫離頻率為80Hz。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，氣泡的生成頻率為95Hz，脫離頻率為78Hz，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在10%以內(nèi)。在傳熱系數(shù)方面，模擬計(jì)算得到的傳熱系數(shù)為780W/（m2?K），實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為800W/（m2?K），相對(duì)誤差為2.5%。這說明數(shù)值模型能夠較好地模擬微柱陣列結(jié)構(gòu)上氣泡的動(dòng)態(tài)行為和傳熱性能，為進(jìn)一步研究微柱陣列結(jié)構(gòu)的傳熱機(jī)制提供了可靠的依據(jù)。在微槽道結(jié)構(gòu)的對(duì)比中，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在熱流密度和蒸發(fā)速率方面也具有較高的一致性。在熱流密度為10W/cm2時(shí)，模擬計(jì)算得到的微槽道內(nèi)熱流密度分布與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的熱流密度分布基本吻合，最大誤差不超過8%。在蒸發(fā)速率方面，模擬結(jié)果為0.05kg/（m2?s），實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為0.052kg/（m2?s），相對(duì)誤差為3.8%。這表明數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)微槽道結(jié)構(gòu)在不同熱流密度下的蒸發(fā)傳熱特性，為微槽道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的支持。通過對(duì)不同微結(jié)構(gòu)表面的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在模型驗(yàn)證過程中，考慮了多種因素對(duì)模擬結(jié)果的影響，如網(wǎng)格劃分的精度、邊界條件的設(shè)置以及物理模型的選擇等。通過對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性的驗(yàn)證，確保了網(wǎng)格劃分的精度能夠滿足計(jì)算要求，避免了因網(wǎng)格數(shù)量不足或質(zhì)量不佳導(dǎo)致的計(jì)算誤差。合理設(shè)置邊界條件和選擇合適的物理模型，使得數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際物理過程。盡管數(shù)值模型在模擬液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱過程中表現(xiàn)出了較高的準(zhǔn)確性和可靠性，但仍然存在一定的局限性。在模型中，對(duì)一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，如液氮的沸騰過程中氣泡的相互作用、表面活性劑的影響等，這些簡(jiǎn)化可能會(huì)導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差。未來的研究可以進(jìn)一步完善數(shù)值模型，考慮更多的物理因素，提高模型的精度和可靠性，為液氮在微結(jié)構(gòu)表面的蒸發(fā)傳熱研究提供更有力的工具。4.3模擬結(jié)果與討論4.3.1微結(jié)構(gòu)表面參數(shù)對(duì)傳熱特性的影響規(guī)律通過數(shù)值模擬，深入研究了微結(jié)構(gòu)表面參數(shù)對(duì)液氮蒸發(fā)傳熱特性的影響規(guī)律。對(duì)于微通道結(jié)構(gòu)，隨著微通道寬度的減小，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)微通道寬度從15μm減小到10μm時(shí)，傳熱系數(shù)從800W/（m2?K）增加到1000W/（m2?K），這是因?yàn)檩^小的微通道寬度增加了液氮與微通道壁面的接觸面積，增強(qiáng)了傳熱效果。但當(dāng)微通道寬度進(jìn)一步減小到5μm時(shí)，傳熱系數(shù)反而降低到900W/（m2?K），這是由于微通道寬度過小會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力增大，液氮的流速降低，從而影響了傳熱效率。微通道深度的增加對(duì)傳熱系數(shù)有顯著的提升作用，當(dāng)微通道深度從10μm增加到30μm時(shí)，傳熱系數(shù)從600W/（m2?K）增大到1200W/（m2?K），這是因?yàn)樵黾游⑼ǖ郎疃瓤梢栽黾右旱谕ǖ纼?nèi)的停留時(shí)間，使熱量傳遞更加充分。微通道間距的變化對(duì)傳熱系數(shù)的影響相對(duì)較小，當(dāng)微通道間距從10μm增大到30μm時(shí)，傳熱系數(shù)僅從950W/（m2?K）略微降低到900W/（m2?K），這表明微通道間距在一定范圍內(nèi)的變化對(duì)傳熱性能的影響不大。對(duì)于微柱陣列結(jié)構(gòu)，微柱高度的增加能夠顯著提高傳熱系數(shù)。當(dāng)微柱高度從1μm增加到5μm時(shí)，傳熱系數(shù)從400W/（m2?K）增大到800W/（m2?K），這是因?yàn)檩^高的微柱能夠增加液-氣界面的擾動(dòng)，促進(jìn)氣泡的生成和脫離，從而提高了傳熱效率。微柱直徑的增大對(duì)傳熱系數(shù)的影響較為復(fù)雜，當(dāng)微柱直徑從0.5μm增大到1μm時(shí)，傳熱系數(shù)從500W/（m2?K）增加到650W/（m2?K），這是因?yàn)檩^大的微柱直徑增加了微柱與液氮的接觸面積，有利于熱量的傳遞。但當(dāng)微柱直徑進(jìn)一步增大到1.5μm時(shí)