潤濕性影響薄液膜沸騰傳熱的分子動力學研究*

白璞 王登甲 劉艷峰

1) (西安建筑科技大學,綠色建筑全國重點實驗室,西安 710055)

2) (西安建筑科技大學建筑設備科學與工程學院,西安 710055)

納米尺度下表面潤濕性如何影響薄液膜沸騰傳熱仍是一個具有挑戰性的研究.本研究采用分子動力學方法探討壁面潤濕性影響納米尺度薄液膜沸騰換熱的機制.結果發現: 親水表面能夠顯著地提升沸騰換熱性能,有較早的沸騰起始時間,較高的升溫速率、熱流密度和界面導熱率,以及較小的界面熱阻.通過建立二維表面勢能模型,揭示表面潤濕性影響納米尺度沸騰換熱的機理.親水壁面的表面勢能為-0.34 eV,而疏水壁面的表面勢能僅為-0.09 eV,提升表面潤濕性強化沸騰傳熱的本質原因是表面勢能絕對值的提高.此外,通過計算分子間的相互作用能,揭示了納米尺度下親疏水壁面的成核機理.水分子-親水壁面、水分子-疏水壁面和水分子內部的相互作用能分別為1.57,0.26 和0.48 eV/nm2.親水表面的界面能大于水分子內部的相互作用能,因此親水表面上氣泡成核發生在水膜內部;疏水表面上的界面能比水分子內部的相互作用能弱,疏水表面的氣泡成核發生在固/液界面處.本研究揭示了表面潤濕性如何影響納米尺度薄液膜沸騰傳熱和氣泡成核的主要機制.

1 引言

沸騰傳熱是高熱負荷表面保持相對較低溫度的有效手段,具有高傳熱系數的特點,在航空航天、機械制造、芯片冷卻以及能源化工等諸多工業領域具有廣泛應用和重要意義[1,2].近年來,隨著微納結構表面和表面改性等強化技術的發展,加上微機電加工技術的突飛猛進,這些領域的儀器設備越來越趨于緊湊化、輕型化、小型化和高效率[3].

目前,有大量實驗證實通過改變表面潤濕性可以強化沸騰傳熱.例如,Hu等[4]觀察到疏水表面比親水表面具有更好的沸騰傳熱系數,然而臨界熱流密度 (CHF)低.Zhang等[5]發現,在低過熱度條件下,疏水表面比親水表面具有更低的沸騰起始溫度和更高的傳熱系數.此外,還有學者采用格子Boltzmann 方法研究微尺度下壁面潤濕性對沸騰的影響[6].Lee等[7]證明了潤濕性的減弱可以提高傳熱系數,但會降低臨界熱流密度.Jo等[8]研究了在核態沸騰中,氣泡在疏水和親水表面的成核位置、脫離頻率等.然而在納米尺度下,難以通過實驗研究或者宏觀尺度的數值模擬方法實現氣泡成核的觀察以及熱流密度的測量.

分子動力學模擬(MD)作為基于經典牛頓力學定律的數值模擬方法,被廣泛地應用到納米尺度沸騰現象的研究.例如,Zhang等[9]通過分子動力學模擬證明了表面潤濕性是影響沸騰傳熱的主要因素之一.Wang等[10]指出表面潤濕性的增強會降低界面熱阻從而促進沸騰傳熱.同時,Cao 與Cui[11]發現由于親水性固體壁面和液體之間的振動態密度(VDOS)失配較低,因此液膜在親水表面上具有更好的傳熱性能.此外,Hens等[12]的研究表明,由于親水性表面具有更強的固-液界面作用勢,因此可以顯著地改善沸騰傳熱性能.Chen等[13]發現在沸騰過程中始終會有一層氬原子附著在親水性的三角形納米通道上,同時親水性納米通道比疏水性納米通道傳遞更多的熱量,從而促進氣泡成核.Yin等[14]還通過分析液膜的勢能分布,證明增強表面潤濕性可以增加氣泡成核速率.Wang 與Li[15]表明親水面積比大的親疏水混合表面的界面熱阻低,沸騰傳熱性能好.

綜上所述,在納米尺度下,親水表面比疏水表面具有更好的傳熱性能.然而,表面潤濕性影響沸騰傳熱的本質原因仍然尚不清楚.本研究采用分子動力學模擬方法,研究親水和疏水表面上水分子的沸騰現象.提出固-液之間的二維表面勢能,分析兩者之間的關系,揭示親水表面促進沸騰傳熱的機制.同時,通過計算分子間的相互作用能,進一步揭示納米尺度下親疏水壁面的成核機理.本研究有助于加強對納米尺度下氣泡成核和沸騰傳熱機理的理解,為實際應用提供一定的理論支撐.

2 模型建立

模擬系統如圖1(a)所示,模擬盒子的尺寸為8.66 nm(x)×3.61 nm(y)×40.0 nm(z).x和y方向均為周期性邊界條件,z方向是固定邊界條件,原子撞到壁面后會以原速彈回,該過程沒有能量和原子損失.系統底部由銅原子以面心立方晶格結構(FCC)排列形成固體壁面,其中晶格系數為3.61 ?,銅基板密度為8690 kg/m3.固體基板有五層,底下兩層被固定以防止銅板在高溫條件下受熱變形,上邊三層是熱源層,與液膜進行熱量傳遞[16,17].緊挨壁面的是厚度為6.0 nm 的液態水膜,由6570 個水分子組成.水分子采用TIP4P 勢能模型,由于TIP4P模型可以得到與實驗結果更接近的物性參數[18].其中,H—O—H 鍵角為104.52°,鍵長恒定為0.957 ?.

圖1 系統初始模型Fig.1.Initial snapshots of simulated system.

在分子動力學方法中,原子間的勢能函數在描述原子運動中起著重要作用[13,19].銅-銅、銅-氧原子間的相互作用采用12-6 Lennard-Jones (LJ)勢能模型[19],表達式為

式中,r是原子間的距離,σ 和ε 分別是尺寸參數和能量參數.在模擬過程中原子間相互作用的截斷半徑為10 ?,超過此距離相互作用忽略不計.同時,采用Lorentz-Berthelot 守則得到銅-氧原子間的尺寸參數和能量參數[16]:

式中,α 是能量調節系數,α 的值越大,固體壁面的潤濕性越強.為了測量不同調節系數下液滴與壁面之間的接觸角,模擬了直徑為10 nm 的圓柱狀液滴在壁面上的鋪展特性.當α=0.64,εCu-O=0.034 eV 時,液滴在固體壁面的靜態接觸角為30.8°,為親水性壁面;α=0.17,εCu-O=0.009 eV 時,液滴在固體壁面的接觸角為112.5°,為疏水性壁面,如圖1(b)所示[20,21].水分子間的相互作用包括長程靜電作用和LJ 勢能作用[19]:

式中,C是庫倫常數,qe是原子所帶的電荷.原子間的相互作用力可以通過勢能梯度表示為[22]

式中,m是原子的質量,t是時間.可見,原子間的作用勢和作用力成正相關,在距離一定的情況下,作用勢越大,作用力也就越大.原子間作用勢能參數如表1 所列.

表1 原子間作用勢能參數Table 1. Potential energy and related parameters between particles.

本模擬采用開源分子動力學模擬軟件LAMMPS 實現,并采用OVITO 軟件實現可視化結果[23,24].模擬過程分為系統平衡階段和相變階段.在平衡階段,整個系統在300 K 的NVT 系綜中運行1000 ps.納米尺度下薄液膜發生沸騰需要較高的溫度,同時為了分析潤濕性對熱傳導、氣泡成核以及快速沸騰等多個階段的影響.在相變階段,水分子采用NVE系綜,基底采用NVT 系綜控制溫度,基底溫度在3500 ps 內從300 K 勻速增加到1000 K,加熱速率為0.20 K/ps.由于納米尺度下的薄液膜沸騰是一個非穩態傳熱過程,不同的升溫速率會對沸騰過程產生影響.本文旨在研究親疏水表面對薄液膜沸騰傳熱性能的影響,在保持固定升溫速率的情況下,對比不同潤濕性表面的沸騰現象.采用Velocity-Verlet 算法求解運動方程,時間步長取為1 fs,每1 ps 輸出體系中粒子的位置和速度.

3 結果與討論

3.1 傳熱性能

沿x,y和z方向將系統分為20,10 和100 個部分,每個計算域的尺寸分別為0.43 nm (x) ×0.36 nm (z) × 0.4 nm (z),根據原子的位置,可以得到各部分水分子的密度.在納米尺度下,通常采用均值法來區分氣體和液體,在本研究中,當水分子密度低于300 kg/m3時視為水蒸氣,當水分子密度超過300 kg/m3視為液態水.計算不同時刻每個計算域的密度,當固/液界面或水膜內部首次出現體積超過15 nm3的單個氣泡時,視為氣泡胚核的形成;之后,當z方向首次出現平均厚度大于2.5 nm 且完整汽化層時,視為快速沸騰的開始.

圖2 給出了水分子在親水和疏水壁面上的相變過程.如圖2(a)所示,可以看出在1500 ps 前,液膜體積受熱膨脹同時伴隨有少量的水分子蒸發.約1800 ps,氣泡胚核在稍微遠離固體壁面的水膜內部隨機生成.隨著固體壁面溫度的增加,氣泡胚核在約1832 ps 生長為一個較大的氣泡,然后在1860 ps 左右迅速變為蒸汽層.在宏觀尺度的核態沸騰中,存在氣泡的成核、長大和脫離,以及液體的補充.然而在納米尺度下,由于水膜的厚度較小,所以只能觀察到氣泡的形成和生長,無法捕捉到氣泡的脫離和液體的補充.因此在納米尺度下,水蒸氣層的首次形成通常被認為是沸騰的開始[25].隨后,高壓的蒸汽層推動水膜快速上升,這與宏觀尺度下的Leidenfrost 現象或膜態沸騰相似,這種現象在納米尺度下通常被認為是快速沸騰或爆炸沸騰[25,26].

圖2 水分子在親疏水表面上相變行為的快照(a) 親水表面;(b) 疏水表面Fig.2.Snapshots of phase-change behavior for liquid water on (a) hydrophilic and (b) hydrophobic surfaces.

在整個相變過程中,隨著水分子的蒸發、氣泡的形成、生長以及快速沸騰,可以將其認為是納米體系中的薄液膜沸騰現象.水分子在疏水壁面上的相變過程如圖2(b)所示,可以看出在2388 ps 左右,氣泡胚核隨機在固-液界面處生成,在約2490 ps變成蒸汽層.發生在親水表面的氣泡胚核和沸騰的起始時間分別比疏水表面分別快588 ps 和630 ps,說明親水表面具有較好的傳熱性能.

圖3(a)顯示了親疏水壁面上方氣泡體積的變化圖.液膜在受熱過程中處于熱力學亞穩態,系統能量不斷振蕩.由于能量分布不均勻,局部分子密度瞬時波動,容易觸發蒸汽空隙但會快速消失.因此,忽略密度波動引起小體積蒸汽間隙瞬態變化的影響,當單個氣泡的體積超過15 nm3時,將其視為一個氣泡核.在本模擬中,親疏水壁面均只出現一個氣泡核.氣泡體積在液膜蒸發階段為0 nm3,發生氣泡成核后,氣泡生成速率迅速增加.親水表面的氣泡生長速率大于疏水表面的氣泡生長速率,從氣泡成核到發生快速沸騰階段,親水表面的氣泡生長速率是1.59 nm3/ps,疏水表面的是0.50 nm3/ps.

圖3 親疏水表面(a)氣泡體積和(b)液膜體積變化圖Fig.3.Variation of (a) bubble volume and (b) water film volume on hydrophilic and hydrophobic surfaces.

圖3(b)顯示了親疏水表面液膜體積的變化圖.親疏水表面的液膜的體積在初始時刻均為160 nm3左右,隨著固體表面的加熱,水膜體積逐漸增加.親水表面的液膜體積在1700 ps 時達到最大,約223.6 nm3;疏水表面的液膜體積在2100 ps 時達到最大,為219.9 nm3.此外,親水表面的液膜增長速率大于疏水表面的液膜增長速率.前1500 ps,親水表面的液膜增長速率是0.040 nm3/ps,疏水表面的是0.028 nm3/ps.

此外,分析了親疏水壁面液態水分子的徑向分布函數(RDF),RDF 是對參考原子周圍其他原子分布概率的度量[27],親疏水表面不同時刻氧原子之間的RDF 如圖4 所示.親疏水表面RDF 第一峰值的位置均在2.65 ?,親水表面在0,1000 和1800 ps 時的第一峰值分別是95.5,80.4 和72.4;疏水表面在0,1000 和2390 ps 時的第一峰值分別是94.4,78.7 和68.5.由圖4 可以看出,親疏水表面RDF 的峰值隨著相變時間的增加而降低,說明隨著壁面的加熱,液膜內部的水分子會逐漸擴散,密度逐漸降低.

圖4 (a)親水和(b)疏水表面氧原子的徑向分布函數Fig.4.Radial distribution function of O-O atoms on (a) hydrophilic and (b) hydrophobic surfaces.

通過銅基底對水分子加熱,薄液膜經歷了從液態到氣態的相變過程,由相變前的固-液界面轉變為相變后的固氣界面.本文旨在研究親疏水表面對薄液膜沸騰傳熱整個過程和性能的影響,因此將固體壁面上的所有水分子看作一個整體.圖5 為基底溫度和親疏水表面上系統內部所有水分子溫度的變化情況,水分子的溫度通過對其動能的求和來計算[9]:

圖5 基底和水分子的溫度變化圖Fig.5.Temperatures of substrate wall and liquid water.

式中,Nf是水分子的總自由度,kB是玻爾茲曼常數,vi是水分子的質心速度,Tl為系統內所有水分子溫度.

在相變階段,銅基底以0.20 K/ps 的升溫速率從300 K 勻速增加到1000 K.水分子從固體壁上吸收能量,溫度逐漸升高.水分子溫度的升高是由于液-固之間的相互作用和碰撞引起水分子動能的增加.由圖5 可知,水分子在親水表面的升溫速率大于在疏水表面的升溫速率,因此可以獲得更多的能量來觸發氣泡成核和沸騰.在整個相變過程中,水分子在親水表面的平均升溫速率為0.076 K/ps,而疏水表面的平均升溫速率為0.053 K/ps.

為了比較不同潤濕性表面的傳熱性能,計算了固-液之間的熱流密度,表達式為[28]

式中,As是在系統在x-y平面上的截面積,As=8.66×3.61 nm2;El是所有水分子的內能總和.

圖6 給出了不同潤濕性表面上水分子的熱流密度變化圖.對于親水表面,熱流密度在約500 ps前快速增加,隨后緩慢增加并在6—8 GW/m2范圍內波動.1860 ps 左右發生沸騰現象,由于蒸汽層的形成會產生較大熱阻,所以熱流密度急劇下降.最后,熱流密度在3 GW/m2左右波動.親水表面的熱流密度普遍高于疏水表面的熱流密度.水分子在親水表面的最大熱流密度為8.55 GW/m2,而在疏水表面的最大熱流密度為6.46 GW/m2,親水表面的最大熱流密度比疏水表面高出32%.Cai等[29]的實驗工作也得到了類似的結果.他們的研究結果表明,與疏水表面相比,超親水表面提升了83%的臨界熱流密度.由圖6 可以看出,在納米尺度和宏觀尺度下,親水性表面均具有較高的臨界熱流密度.

圖6 親疏水表面上水分子的熱流密度變化圖Fig.6.Heat flux for water molecules over hydrophilic and hydrophobic surfaces.

在納米尺度下,固-液之間的傳熱模式主要以熱傳導為主.所以界面熱導是反應傳熱性能的重要參數,較大的界面熱導表示熱量更容易從固體傳遞到液體.在本研究中,界面熱導定義為[27,28]

式中,Ts為基底溫度.

不同潤濕性表面的界面熱導如圖7 所示.對于親水性表面,由于熱流密度的快速增加和固/液界面較小的溫度梯度,界面熱導在前約400 ps急劇增加,達到111.1 MW/(m2·K).之后,固-液間溫度梯度逐漸增大而熱流密度相對穩定,界面熱導逐漸減小.約1860 ps 發生快速沸騰后,界面熱導迅速降低到約10 MW/(m2·K)并在此范圍波動到3500 ps.疏水表面界面熱導的變化趨勢和親水表面相似,不同之處在于疏水表面的界面熱導相對較低.在整個模擬過程中,親水表面的平均界面熱導是40.7 MW/(m2·K),而疏水表面為19.7 MW/(m2·K).

圖7 親疏水表面上水分子的界面熱導變化圖Fig.7.Interfacial thermal conductance for water molecules on hydrophilic and hydrophobic surfaces.

納米尺度下固-液界面熱阻極大影響傳熱速率.在本研究中,固-液界面熱阻由(8)式計算得出[30]:

圖8 顯示了水分子在親水和疏水表面上的界面熱阻變化圖.在沸騰開始前,隨著固體壁面的加熱,水膜體積逐漸增大,密度減小,因此界面熱阻緩慢增加.在這一階段,親水表面的界面熱阻相對較低.例如,在1800 ps 前,親水表面的平均界面熱阻是1.51×10-8(m2·K)/W,而疏水表面為3.51×10-8(m2·K)/W.當沸騰發生后,水膜脫離壁面,固-液界面完全轉變為固氣界面,界面熱阻迅速增加.此外,在發生快速沸騰后,疏水表面附近的水分子較少,而親水表面附近的水分子較多(圖2 和圖11).壁面附近較多的水分子有利于促進固-液之間的熱量傳遞.因此,沸騰發生之后,親水表面的界面熱阻同樣比疏水表面的低.由于界面熱阻較低,在整個相變過程中,親水性壁面上的水分子更容易吸收熱量.基于這一優勢,親水表面更有利于增強沸騰傳熱.然而,表面潤濕性如何影響沸騰傳熱的深層原因尚未揭示,將在以下小節中從表面勢能和相互作用能的角度進行討論.

圖8 親疏水表面上水分子的界面熱阻變化圖Fig.8.Interfacial thermal resistances for water molecules over hydrophilic and hydrophobic surfaces.

3.2 表面勢能

在納米尺度下,相變傳熱是液態水分子從固體壁面吸收熱量轉化為水蒸氣或發生氣泡成核的過程.分子間的相互作用在這一過程中起著至關重要的作用.在MD 模擬中,作用勢能是一個可以近似原子間相互作用的數學模型[24].因此,影響相變換熱過程的主要因素之一是固/液間的相互作用勢能.本研究提出了一種描述液體在固體基底上相互作用的二維模型.圖9 給出了銅板上方水分子與銅原子的相互作用示意圖,下方黃色的是銅原子,上方紅色的是氧原子.在模擬中,由于Cu-H 的勢能可以忽略,所以對于銅表面的水分子,只考慮Cu-O間的相互作用,粒子間的相互作用在rc=10 ?的截斷半徑內.由圖9 可以看出,當氧原子到銅板的距離在z方向一定時,相互作用勢能將沿x方向發生周期性的變化.

在銅表面上的x方向取銅的晶格常數3.61 ?,z方向取粒子間相互作用的截斷半徑10 ?所構成的區域作為一個周期性單元.銅和氧粒子間的相互作用勢能可以通過(1)式計算,親疏水表面在一個單元內的相互作用勢能分布如圖10 所示.可以看出,勢能在z＜ 2.0 ?時為較大正值,沿z方向急劇下降到z=2.1—2.7 ?時的零值,在x=1.8 ?,z=2.5 ?取得最大負值,約-0.087 eV.之后,負值沿z方向距離的增加而逐漸減小,直到表面勢能在z=10 ?時再次接近零.相互作用的強度由表面勢能的絕對值來反映,表面勢能的絕對值越高,它們之間的相互作用就越強.由圖10 可以看出,親水表面的勢能強于疏水表面的勢能.此外,銅與氧之間的表面勢能,即總勢能為[14,31]

圖10 親疏水表面的相互作用勢能分布圖(a) 親水表面;(b) 疏水表面Fig.10.Distribution of interaction potential energy for the (a) hydrophilic and (b) hydrophobic plate surfaces in a periodic cell.

在一個單元內,親水壁面的表面勢能為-0.34 eV,而疏水壁面的表面勢能僅為-0.09 eV.親水表面的最大絕對勢能(-0.087 eV)是疏水表面的最大絕對勢能(-0.023 eV)的3.8 倍.

表面勢能會影響固體表面水分子的吸附情況,進而影響到整個沸騰過程.圖11 統計了親疏水表面1 nm 區域內水分子數量變化圖.親水性表面較疏水性表面具有較強的表面勢能,因此能吸附更多的水分子.0 ps 時,親水表面附近1 nm 區域內約有1113 個水分子,疏水表面約有1000 個水分子.隨著溫度增加,水膜受熱體積膨脹,密度減小,固體壁面吸附的水分子均逐漸減少.親水和疏水表面吸附的水分子數量分別在1800 ps和2388 ps 發生氣泡成核后快速下降.當液膜發生快速沸騰后且表面溫度較高時,親水表面附近吸附了約130 個水分子;疏水表面附近僅僅吸附了40 個左右的水分子,約親水表面的1/3.可以看出,在整個相變過程中,親水表面都能吸附較多的水分子,由于有更多的水分子附著在固體表面吸收熱量,大大增強固體與水膜之間的相互作用和熱傳遞.

圖11 親疏水表面1 nm 區域內水分子數量變化圖Fig.11.Variation of the number of water molecules within the 1 nm region of the hydrophilic and hydrophobic surfaces.

為了進一步比較潤濕性對水膜的影響,引入了銅-氧原子間的振動態密度(VDOS).銅和氧原子的VDOS 由速度自相關函數(VACF)經過快速傅里葉變換得到[32]:

式中,〈v(0)·v(t)〉 為VACF,ω 為粒子的振動頻率.

圖12(a)展示了銅原子和氧原子的VDOS.其中,疏水表面上氧原子的VDOS 在1.06 THz 時達到峰值為0.177,親水表面上氧原子的VDOS 在1.87 THz 時達到峰值為0.090.由圖12(a)可以看出,親水表面上氧原子的VDOS 峰值更小,意味著更多的水分子被限制在親水表面,如圖11 所示.銅-氧原子間的振動態密度失配程度可以表示為ΔS=|SO-SCu|.從圖12(b)可以看出,親水表面的ΔS低于疏水表面.親水表面的較低的ΔS意味著更好的熱匹配和更小的界面熱阻,從而在固/液界面產生更多的能量交換和更好的傳熱性能.

圖12 親疏水表面銅-氧原子的VDOSFig.12.VDOS of Cu and O for the hydrophilic and hydrophobic surfaces.

3.3 相互作用能

表面勢能還會影響到固-液之間的相互作用能.由于分子間具有相互作用能,因此需要一定的能量才能將一組液膜分成兩部分或者發生氣泡成核.將一組液膜分成兩部分的相互作用能可以表示分子間能量的大小和相互作用的強度.因此,單位面積的相互作用能也可以用來評估固-液界面的傳熱性能[26].單位面積的相互作用能越大,固-液界面的傳熱性能越高.銅和水在固-液界面單位面積的相互作用能,即界面能,由(11)式計算;同時,液態水分子內部單位面積的相互作用能,即等于將一組水分子分成兩部分每單位面積所需要的能量,由(12)式給出[25,33]:

式中,An是界面的公稱面積,Esystem是系統處于平衡狀態的總能量,ECu和Ewater分別是真空中銅和水的總能量.當體系中總能量和溫度均穩定不變時視為其達到平衡狀態,此時體系中粒子運動引起的誤差可忽略不計.在300.0 K 時,使用三個體積相同且相互獨立NVT 系統對Esystem,ECu和Ewater進行計算,計算過程如圖13 所示.

圖13 相互作用能計算過程示意圖Fig.13.Schematic computation process of interaction energy.

經計算可知,水分子-親水壁面、水分子-疏水壁面和水分子內部的相互作用能分別為Iphi=1.57 eV/nm2,Ipho=0.26 eV/nm2和Iwater=0.48 eV/nm2.它們按大小排序為:Iphi＞Iwater＞Ipho.一方面,可以看出由于親水性壁面的界面能大于疏水性壁面上的界面能,因此親水性壁面具有更好的傳熱性能.另一方面,氣泡成核路徑遵循自由能最小原則,即較低的相互作用能更有利于氣泡的成核[34,35].相比于水分子內部,親水表面和水膜之間具有更強的相互作用能,導致固體壁上的氣泡成核比水分子內部的氣泡成核需要的能量更多.因此,如圖2(a)所示,在親水性表面上,氣泡成核隨機發生在水膜內部.然而,疏水表面上的界面能比水分子內部的相互作用能弱,固體壁上的氣泡成核比液膜內部的成核過程消耗的能量要少,所以氣泡成核發生在固-液界面處,如圖2(b)所示.在薄液膜的沸騰傳熱過程中,水分子最初在300 K 的常溫條件下是液態,經過加熱過程克服水分子內部或者是固-液之間的相互吸引而發生氣泡成核.因此,可以通過計算常溫下的相互作用能來分析親疏水壁面薄液膜沸騰過程中的成核機制.

綜上所述,可以通過改變能量調節系數(α)和能量參數(εij)來調節納米尺度下固體表面的潤濕性.較大的α 和ε 導致固體與液體分子之間有較強的相互作用勢能(U)和分子間作用力(F).由于固體和液體之間的相互作用勢能和作用力大,因此液滴在固體壁面上的接觸角(θ)較小,意味著固體壁面更親水.同時,固/液間較強的表面勢能會導致固體與液體之間較大的界面能(I)和較小的ΔS,而且壁面附近能吸附更多的水分子.較大的界面能和較小ΔS的代表固-液之間有著更好的熱匹配、熱接觸以及更多的相互作用.因此,當傳熱開始時,親水表面上的水分子將具有較小的界面熱阻(RK)和較大的界面熱導系數(K),從而產生較高的熱流密度(q)和液膜溫度(T),同時促進氣泡成核并縮短沸騰起始時間(t).綜上所述,親水性表面換熱性能好的本質原因是固-液界面強大的表面勢能.

4 結論

本文采用分子動力學模擬方法研究表面潤濕性對納米尺度薄液膜沸騰換熱的影響.采用分子動力學方法研究不同潤濕性表面上液體的沸騰傳熱過程,提出相互作用能和二維表面作用勢,揭示納米尺度下潤濕性影響薄液膜沸騰的機制,得到如下結論:

1)親水表面能夠顯著提升沸騰換熱性能,有較早的沸騰起始時間,較高的升溫速率、熱流密度和界面導熱率,以及較小的界面熱阻.其中,親水表面的臨界熱流密度比疏水表面高出32%,在納米和宏觀尺度下,親水性表面均具有較高的臨界熱流密度.

2)計算300 K 溫度下分子間的相互作用能,Iphi=1.57 eV/nm2,Ipho=0.26 eV/nm2和Iwater=0.48 eV/nm2,即Iphi＞Iwater＞Ipho.親水表面的界面能大于水分子內部的相互作用能,在親水性表面上氣泡成核發生在水膜內部;疏水表面上的界面能比水分子內部的相互作用能弱,所以對于疏水表面氣泡成核發生在固/液界面處.

3)建立二維表面勢能模型,得到親水表面的最大絕對勢能(-0.087 eV)是疏水表面的最大絕對勢能(-0.023 eV)的3.8 倍.較強的表面勢能會導致固-液之間有較大的界面能和較小的ΔS,同時在壁面附近吸附更多的水分子,因此固-液之間有著更好的熱匹配,熱接觸以及更多的相互作用,進而促進沸騰傳熱.即,提升表面潤濕性強化沸騰傳熱的本質原因是表面勢能絕對值的提高.