近日，我院张宗波教授在声场内沸腾汽泡的成核理论领域取得重要进展，相关研究成果《基于热力学分析的声场内流动沸腾异质成核模型》（Heterogeneous nucleation model of flow boiling within ultrasonic field based on thermodynamic analysis）发表在《International Communications in Heat and Mass Transfer》。该期刊是致力于传热与传质及相关过程、技术和系统的所有领域快速传播变革性、高影响力的研究的国际顶级期刊，目前影响因子为6.4（SCI二区Top）。论文通讯作者为张宗波教授，共同通讯作者为新能源学院的巩亮教授，论文第一作者为2019级博士生郭勇，开云电竞投注（华东）为独立完成单位，该研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金及青岛市自然科学基金等项目的资助。
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微通道内超声强化流动沸腾是应对高热流密度电子器件散热挑战的有效方法。沸腾起始（ONB）是流动从单相向两相转变的关键点，实验证实超声波可显著降低ONB所需壁面过热并提升气泡生成率，但相关的非均匀成核机制尚不明确。当前，热力学分析是揭示成核机制的关键。已有经典模型研究了壁面接触角、温度梯度等因素对非均匀成核的影响。然而，现有针对超声场的模型主要关注均质成核，其所需能量阈值远高于实际中更常见的非均匀成核，且忽略了表面润湿性的关键影响，难以直接应用于微通道沸腾的实际场景。因此，亟需发展能够综合考虑超声波作用与固体表面特性的非均匀成核热力学模型，以阐明超声促进成核的微观机理，并为精确预测超声场中的ONB条件提供理论基础。
不同润湿性下底壁面的气泡成核现象
基于上述问题，本研究结合热力学分析与实验，探究了超声场中微通道流动沸腾的成核机理。建立了超声作用下非均匀成核的热力学模型，获得了临界成核半径及沸腾起始点（ONB）壁面过热的解析解。分析表明，超声波通过降低成核能垒，使临界成核半径和ONB所需壁面过热分别显著降低了90.47%和91.16%，极大促进了成核，且随超声功率增大而增强，并受表面润湿性影响。虽然疏水表面（接触角大）的超声增强效应相对较弱，但其固有的临界半径与壁面过热绝对值仍小于亲水表面。因此，在超声作用下，沸腾仍更易在疏水表面触发。模型预测值经非稳态修正因子修正后，与实验结果吻合良好，最大偏差仅为6.44%。本研究为理解超声强化沸腾的微观机理提供了新视角，为优化高热流冷却策略奠定了理论基础。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0735193325016604
