激光表面改性强化传热的数值模拟

作者：张有弛 王鸿奎 黄逸帆 化工系

指导老师：王玉军 化工系

关键词：CFD、有限元仿真、表面改性、滴状冷凝

摘要

本项目基于ANSYS Fluent流体模拟软件进行了金属表面的传热模拟，对比了光滑金属表面和有微结构的金属表面传热效率的差异。采用了不同维度的简化模型，其中二维模型和三维模型都显示存在微结构的表面能使得热边界层有效减薄，换热效率大幅提高。在进行三维模型的冷凝换热研究中发现并没有复现出滴状冷凝的效果，其原因在于Fluent软件中采用求解宏观流体控制方程的方法实现对流体的仿真模拟，而冷凝液滴的聚集状态属于介观问题，进一步准确模拟应该采用格子玻尔兹曼方法。

课题来源

本课题来自于《化工原理》和《实验室科研探究-激光表面改性》的启发，在化工原理中我们知道蒸汽在换热器金属表面冷凝时会因金属表面能的不同呈现出液滴或者液膜的状态，虽然液滴冷凝的传热效率是更高的，但是大多数情况下由于金属表面能高，只能膜装冷凝。在一节机械系绍天敏老师的实验室科研探究课中，我们了解到可以采用激光刻蚀的方法降低金属表面能，从而实现其超疏水，控制滴状冷凝。由此我们设想，通过金属表面的激光刻蚀，起到强化传热的作用，并准备用计算模拟的方法进行验证。

模型及求解结果

为简便起见，我们先创建了二维单相的模型，以液态水为流动相，与恒温冷壁面进行换热：

图1 二维单相传热的几何模型

图2 二维单相模型求解结果(稳态温度分布图)

左侧为高表面能光滑表面，右侧有壁面微结构

进一步建立三维几何模型，仍用液态水单相换热的情况完成计算，模型及结果如下：

图3 三维几何结构

左侧为光滑的换热界面，右侧有微结构

图4 三维单相传热模型的计算结果(沿流动方向的稳态温度分布截面图)

左侧对应无微结构的表面，右侧对应引入微结构的表面

三维有相变的模型求解结果温度分布情况与三维单相类似，不予展示。

从以上结果可以看出，表面存在微结构时，热流体有机会直接接触到金属表面，这一部分界面不存在热边界层的巨大传热阻力，可能提高传热效率，从下表的热通量计算结果来进一步分析：

表1 各个模型的热通量模拟结果

注：模型间由于几何尺度不同无横向比较意义

可以看出引入表面改性的微结构之后，无论那种模型传热效率都有大幅提高，不过在计算相变模型的过程中并没有实现出滴状冷凝的效果，可能是Fluent中通过宏观流体的控制方程来进行计算，而模液滴的接触角等过程需要介观方法如LBM等。

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