受限结构空间液滴冷凝和动力学特性及其强化冷凝换热研究

20250127

电力、热力、燃气及水生产和供应业

项目围绕滴状冷凝强化传热，在受限液滴热质传递机理、冷凝换热强化方法等方面取得了系列的基础研究理论和技术突破。研究成果通过实验室试验、理论研究和仿真分析，验证了基础原理和理论的可行性，提出了明确的技术概念和应用设想，技术概念和应用设想明确，相关科技成果转化处于基于研究阶段。

项目科技成果目前已经全面完成了基础研究的相关理论和验证工作，未来将一步向应用研究和技术开发等阶段推进。为实现科技成果转化，需要合作方提供应用和技术开发研究相关的充足资金和场地支持。

可国（境）内外转让

高效换热装置涉及单相对流和相变传热的核心物理过程，主要用于实现热量的高效传递与管理，在航空航天热控、新能源利用、相变储能、电子设备热管理等能源系统中广泛应用。高效稳定的冷凝换热技术对于提升换热装置效率至关重要，对于解决高热流散热和降低能源消耗具有极其重要的意义。项目科技成果在推动高效换热装置研发的同时，将在高热流散热和降低能源消耗等领域产生巨大的经济效益。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

高效稳定的冷凝换热技术对于解决高热流散热和降低能源消耗具有极其重要的意义。近年来，随着微纳加工技术和仿生学的快速发展，高度柔性的多级结构超疏水表面强化冷凝换热引起高度关注。在多级结构超疏水表面上，由于宏观和微观结构空间的限制效应，冷凝液滴的传热路径以及动力学演化的能量路径显著改变，基于球冠形液滴建立的理论体系无法推广到受限液滴。为此，本项目围绕“受限液滴热质传递机理及其对冷凝换热的强化机制”这一科学开展研究，取得的主要研究成果如下：1）考虑表面浸润性、过冷度、液滴尺寸以及不凝性气体，系统研究了冷凝液滴热质耦合传递特性，揭示了内部对流对液滴热质传递的影响机制，发展了表征内部对流强化效应的液滴换热努塞尔数的经验关系式模型；2）基于热阻理论，建立了疏水表面、超滑表面等典型微纳结构功能表面液滴冷凝传热模型，诠释了液滴跨尺度生长过程中热阻角色的动态转换规律；3）建立了超滑表面液滴润湿相图，理论推导了液滴润湿状态转换的临界判据，揭示了润滑油厚度和微纳结构特征与液滴润湿状态和动力学特性之间的关联机制；4）结合表面液滴分布函数和冷凝传热模型，发展了疏水表面、超滑表面等典型微纳结构表面滴状冷凝传热模型，定量评估了冷凝传热速率和总热阻，从强化换热的角度给出了液滴脱落尺寸的理论下限，明晰了最优的液滴脱落尺寸区间；5）进一步发展并完善了疏水表面、超滑表面等典型微纳结构表面强化滴状冷凝传热的原理和方法，提出了利用对流流动和非对称冷凝诱发的液滴定向运移强化冷凝传热的新思路。上述研究成果为利用微纳结构表面强化滴状冷凝传热提供了基础理论，对研发稳定高效的冷凝传热技术具有重要的现实意义。