沸騰傳熱因其高傳熱能力在地面和空間科技實(shí)踐中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。沸騰現(xiàn)象中具有極為復(fù)雜的多尺度耦合、多相相互作用和非平衡等特性，存在眾多的影響因素，如成核、氣泡生長(zhǎng)、加熱面附近固﹣液﹣氣相互作用、氣﹣液界面上的蒸發(fā)/凝結(jié)及使蒸氣和熱流體遠(yuǎn)離加熱面的輸運(yùn)等。由于氣、液兩相介質(zhì)一般存在極大的密度差異，在地面常重力環(huán)境中，浮力及其驅(qū)動(dòng)的蒸氣和熱流體遠(yuǎn)離加熱面的輸運(yùn)過(guò)程往往起著主導(dǎo)作用；而在微重力環(huán)境下，重力被大大削弱甚至完全消失，在地面環(huán)境被重力所掩蓋的、和界面相關(guān)聯(lián)的液﹣氣相變與傳熱過(guò)程被凸顯出來(lái)，一方面導(dǎo)致了微重力沸騰現(xiàn)象與常重力時(shí)的迥異，另一方面更有利于揭示沸騰現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)制，促進(jìn)沸騰傳熱理論的發(fā)展。航天技術(shù)的發(fā)展，大功率、高集成度設(shè)備的研制日益受到重視，也因此使得微重力沸騰傳熱研究成為流體力學(xué)、傳熱學(xué)和微重力科學(xué)等交叉研究的前沿。
近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所微重力多相熱流體動(dòng)力學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，利用我國(guó)返回式衛(wèi)星搭載實(shí)驗(yàn)（2005、2006）、力學(xué)所百米落塔短時(shí)微重力實(shí)驗(yàn)（2004、2009）及地面常重力實(shí)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)率先完成了一系列不同重力條件下的池沸騰實(shí)驗(yàn)，獲得了一大批不同重力條件下池沸騰現(xiàn)象中的氣泡熱動(dòng)力學(xué)行為特征與傳熱特性數(shù)據(jù)，包括了相當(dāng)廣泛的工況條件，如：R113、FC-72和丙酮等實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，飽和（液體溫度等于系統(tǒng)壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度）和過(guò)冷（液體溫度低于飽和溫度）實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，控制加熱功率/溫度的穩(wěn)態(tài)和控制加熱功率的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)加熱方式，絲狀表面和光滑平面，等等。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光滑平面上沸騰傳熱效率在微重力條件下明顯低于常重力時(shí)的結(jié)果，但絲狀加熱表面在微重力條件下傳熱效率反而略有增加。結(jié)合所觀測(cè)到的氣泡熱動(dòng)力學(xué)行為特征，指出了加熱表面上生長(zhǎng)氣泡底部的液體供應(yīng)對(duì)沸騰傳熱特性具有重要的影響。
基于上述研究結(jié)果，趙建福研究員與西安交通大學(xué)合作，利用力學(xué)所百米落塔對(duì)方柱微結(jié)構(gòu)表面池沸騰傳熱進(jìn)行了短時(shí)微重力實(shí)驗(yàn)研究（2009-2013）及地面常重力對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)了加熱表面上的微型方柱之間構(gòu)成的多連通的微細(xì)通道可以在毛細(xì)力的作用下，能有效地將生長(zhǎng)氣泡周圍的液體工質(zhì)傳輸?shù)綒馀莸撞浚瑥亩S持高效的核態(tài)池沸騰模式（圖1）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在微重力條件下氣泡失去浮力作用后，會(huì)在加熱表面附近聚合形成很大的氣團(tuán)，但即使在聚合氣團(tuán)完全覆蓋整個(gè)加熱面時(shí)，傳熱性能仍能保證基本不變，方柱微結(jié)構(gòu)表面池沸騰傳熱呈現(xiàn)出重力無(wú)關(guān)的特性（圖2和3）。該結(jié)果標(biāo)明基于表面設(shè)計(jì)的沸騰傳熱強(qiáng)化技術(shù)，具有重要的應(yīng)用前景�？臻g長(zhǎng)期微重力環(huán)境的實(shí)驗(yàn)研究也已列入相關(guān)空間計(jì)劃，以深入研究表面微結(jié)構(gòu)特性參數(shù)對(duì)微重力沸騰傳熱強(qiáng)化效果的影響。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題等的資助，部分研究結(jié)果已發(fā)表于《應(yīng)用熱工程》（Zhang Y, Wei J, Xue Y, Kong X, Zhao J. Appl. Therm. Eng., 2014, 70: 172-182）、《國(guó)際傳熱傳質(zhì)雜志》（Xue Y, Zhao J, Wei J, Zhang Y, Qi B. Int. J. Heat Mass Transfer, 2013, 63: 425-433）、《國(guó)際多相流雜志》（Zhao JF. Int. J. Multiphase Flow, 2010, 36(2): 135-143）、《中國(guó)物理快報(bào)》（Wei J, Xue Y, Zhao J, Li J. Chin. Phy. Lett., 2011, 28(1): 016401）及《微重力科學(xué)與技術(shù)》（Xue Y, Zhao J, Wei J, Li J, Guo D, Wan S. Microgravity Sci. Tech., 2011, 23(S1): S75-S85. Wei J, Zhao J, Yuan M, Xue Y.Microgravity Sci. Tech., 2009, 21(S1): S159 – S173）等學(xué)術(shù)期刊上。
圖1 加熱表面上生長(zhǎng)氣泡底部的液體供應(yīng)方式
圖2 短時(shí)微重力條件下不同加熱表面在不同熱流密度時(shí)的氣泡特征。(a)光滑表面，(b)PF30-60微型方柱表面，(c)PF50-120微型方柱表面。
圖3 不同重力條件下不同加熱表面上的池沸騰傳熱曲線
