淬火初溫影響疏水表面沸騰傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究

李文祥，王鈞禾，郝怡靜，周樂(lè)平，2

（1 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院暨電站能量傳遞轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

引 言

淬火過(guò)程常見(jiàn)于材料化工、煉鋼、核電站等工業(yè)領(lǐng)域。淬火沸騰是指將高溫固體放入低溫液體中，使其快速冷卻至液溫的沸騰過(guò)程[1]。實(shí)驗(yàn)工件的表面潤(rùn)濕性在淬火沸騰過(guò)程中可顯著影響氣泡動(dòng)力學(xué)和沸騰傳熱，在工業(yè)實(shí)踐中也對(duì)輕水反應(yīng)堆的熱極限和燃料包層材料熱性質(zhì)有重要影響[2]。淬火初溫是指淬火處理工件冷卻時(shí)的初始溫度，對(duì)材料加工、金屬成型、鋼鐵冶金和核反應(yīng)堆的安全管理起到重要作用。Long 等[3]指出淬火初溫900～1200℃時(shí)，沖擊韌性和斷裂韌性隨淬火溫度升高而分別增加32.4%和27.8%。Ma 等[4]發(fā)現(xiàn)隨淬火溫度升高，Zr/Ti 層壓金屬?gòu)?fù)合材料的抗壓強(qiáng)度增加。Jahedi 等[5]發(fā)現(xiàn)相較于Leidenfrost 溫度，初溫更高時(shí)沖擊射流淬火膜態(tài)沸騰和過(guò)渡沸騰的冷卻速率較低。Woodfield 等[6]發(fā)現(xiàn)在相同射流速度和過(guò)冷條件下，射流沖擊淬火過(guò)程沸騰區(qū)域?qū)挾仍诔鯗剌^高情況下往往更大。Mozumder 等[7]發(fā)現(xiàn)初溫和射流沖擊淬火最大熱通量間存在弱相關(guān)性，初溫顯著影響到達(dá)最大熱通量的時(shí)間。Hwang 等[8]在垂直管內(nèi)淬火實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨管壁初溫升高，到達(dá)淬火溫度的時(shí)間延長(zhǎng)。Lee 等[9]發(fā)現(xiàn)隨初始管壁溫度增加，再潤(rùn)濕時(shí)間增加。Chung 等[10]認(rèn)為淬火初溫對(duì)淬火工業(yè)是一個(gè)重要參數(shù)。目前，金屬棒淬火等所代表的瞬態(tài)池沸騰過(guò)程還鮮有深入討論，尤其是初始淬火溫度對(duì)具有不同潤(rùn)濕性的表面上淬火池沸騰傳熱影響的相關(guān)機(jī)理研究還很缺乏。

關(guān)于表面改性強(qiáng)化池沸騰傳熱的研究目前大致可分為兩類(lèi)：使用物理化學(xué)方法改變表面的微納米結(jié)構(gòu)[11-14]和利用納米流體等進(jìn)行被動(dòng)的表面改性[15-18]。眾多研究證明納米流體對(duì)淬火沸騰傳熱特性的影響是通過(guò)沸騰過(guò)程中納米顆粒沉積在表面上引起表面特性的變化體現(xiàn)的[19-22]。表面潤(rùn)濕性等對(duì)沸騰傳熱特性具有重要影響[23-26]。通常認(rèn)為，親水性有助于沸騰表面干涸區(qū)域再潤(rùn)濕過(guò)程，提高CHF 值，有利于膜態(tài)沸騰固液接觸并提高Leidenfrost 點(diǎn)（LFP）。Li 等[27]發(fā)現(xiàn)超親水性和過(guò)冷度能強(qiáng)化沸騰傳熱和提高淬火冷卻速率。Hendricks 等[28]發(fā)現(xiàn)CHF 隨納米結(jié)構(gòu)表面潤(rùn)濕性增強(qiáng)而增加。Bourdon 等[29]發(fā)現(xiàn)沸騰起始溫度在疏水性表面明顯提前，傳熱系數(shù)相對(duì)于親水性表面也明顯提高。Fan 等[30]發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)表面的疏水性增強(qiáng)可使瞬態(tài)池沸騰穩(wěn)定氣膜保留，同時(shí)淬火冷卻速度隨接觸角增加而減慢；而超親水表面的再濕潤(rùn)作用促進(jìn)了蒸汽膜坍塌，從而強(qiáng)化膜態(tài)沸騰傳熱和提高CHF。Betz 等[31]發(fā)現(xiàn)親水性表面上的疏水性斑點(diǎn)可分別將CHF 和傳熱系數(shù)提高65%和100%。可見(jiàn)潤(rùn)濕性對(duì)沸騰傳熱影響的研究多集中在親水性或親疏水性表面間對(duì)比上，而淬火沸騰研究主要集中在膜態(tài)沸騰和過(guò)渡沸騰階段，疏水性影響淬火沸騰傳熱的機(jī)理還鮮見(jiàn)研究。同時(shí)使用疏水性表面有利于探究淬火初溫是否存在增強(qiáng)傳熱性能的作用。本文采用沸騰過(guò)程納米顆粒沉積制備疏水性表面，通過(guò)淬火沸騰實(shí)驗(yàn)獲得淬火曲線(xiàn)和沸騰曲線(xiàn)，闡明CHF、MHF、THF以及淬火溫度和時(shí)間在不同淬火初溫下隨疏水性的變化規(guī)律，獲得不同淬火初溫和疏水性下的淬火沸騰傳熱系數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用超純水稀釋麥克林60%（質(zhì)量）的聚四氟乙烯（PTFE）濃縮分散液，然后超聲振蕩30 min使平均直徑為200 nm 左右的PTFE 納米顆粒均勻分散于水中，形成體積分?jǐn)?shù)分別為0.001%、0.01%、0.1%、0.3%的PTFE 納米流體。以同一批四個(gè)拋光銅柱在這四種濃度的納米流體中反復(fù)淬火的方式制備了四個(gè)不同疏水性的表面（記為B～E），并以?huà)伖忏~柱（記為A）作為對(duì)比基礎(chǔ)。使用光學(xué)輪廓儀獲得五個(gè)表面（A～E）的平均方差粗糙度（Ra）分別為0.438、0.568、0.837、1.459、21.437 μm。使用固定滴法接觸角測(cè)量?jī)x獲得超純水在五個(gè)表面上的表觀(guān)靜態(tài)接觸角分別為91°、109°、131°、144°、162°。使用掃描電鏡表征五個(gè)表面，由圖1 可見(jiàn)納米流體濃度增加可使制備的表面粗糙度增大，接觸角也隨粗糙度的增加而增加，表面E 的超疏水性使水滴不能靜立在表面上。最后以這五個(gè)表面在超純水中淬火沸騰的方式進(jìn)行本文的實(shí)驗(yàn)。

淬火裝置由黃銅柱工件和沸騰池、輻射加熱爐、平板加熱器、步進(jìn)電機(jī)和滑軌等組件，以及高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集儀組成，如圖2 所示。淬火工件為?10 mm×50 mm 的黃銅圓柱體。將銅柱、支撐桿和連接管組成的實(shí)驗(yàn)組件通過(guò)夾具固定在滑軌上。在輻射加熱爐腔內(nèi)加熱到設(shè)定溫度后的實(shí)驗(yàn)工件由步進(jìn)電機(jī)和滑軌共同控制進(jìn)入沸騰池淬火，石英沸騰池尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，放置在平板加熱器上加熱至所需溫度，沸騰池體積與實(shí)驗(yàn)工件尺寸相比足夠大。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀（Agilent 34972A）用合適的頻率記錄熱電偶的溫度變化及沸騰池內(nèi)液體溫度情況，通過(guò)高速攝像機(jī)（Phantom VEO710L）拍攝淬火過(guò)程以記錄銅柱表面氣膜的演變過(guò)程。實(shí)驗(yàn)時(shí)綜合考慮沸騰要有完整的膜態(tài)沸騰階段和改性面不宜高溫的情況。取銅柱的淬火初溫最高為420℃；為保留膜態(tài)沸騰階段，取最低初溫為310℃；最后取兩者之間的380℃以探討不同淬火初溫對(duì)疏水性面淬火沸騰的影響。

由于熱電偶測(cè)量的是淬火過(guò)程銅柱中心的溫度變化，沒(méi)有直接測(cè)量銅柱的壁溫，所以采用集總參數(shù)法判斷銅柱中心溫度能否代表表面溫度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，膜態(tài)沸騰階段Biot 數(shù)（Bi）小于0.1，可采用集總參數(shù)法。對(duì)于高熱流的核態(tài)沸騰和過(guò)渡沸騰階段，Bi＞0.1，集總參數(shù)法并不適用，計(jì)算出的熱通量不能代表實(shí)際值。采用K 型熱電偶，不確定度為±0.5℃。根據(jù)幾何誤差和溫度測(cè)量的誤差傳播理論[32]，估計(jì)表面平均熱通量計(jì)算值的不確定度小于5%；而在膜態(tài)沸騰以外的階段CHF 的誤差是相對(duì)最大的，經(jīng)計(jì)算得知，CHF 的相對(duì)誤差為1.83%。但本工作主要關(guān)注不同淬火初溫對(duì)各疏水性表面淬火沸騰傳熱特性影響的相對(duì)變化情況，關(guān)注各表面數(shù)據(jù)之間的對(duì)比，并不追求具體的十分精確的熱通量數(shù)值和建立更準(zhǔn)確的沸騰曲線(xiàn)，同時(shí)最大誤差也在接受范圍內(nèi)，所以集總參數(shù)法仍用于整個(gè)沸騰階段。圖3 示出了淬火沸騰的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，CHF、LFP 和MHF 的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.53%、0.27%和0.83%，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)具有很好的可重復(fù)性。

圖3 拋光銅柱在純水中的重復(fù)淬火實(shí)驗(yàn)Fig.3 Reproducibility experiments of quenching on polished copper columns in pure water

2 結(jié)果與討論

2.1 淬火曲線(xiàn)

圖4示出了五個(gè)表面上在不同淬火初溫條件下的淬火曲線(xiàn)。可見(jiàn)，淬火曲線(xiàn)均隨接觸角增大而逐漸向右偏移。超疏水性表面E上的淬火時(shí)間遠(yuǎn)大于其他表面。310℃初溫下，表面E 上的淬火時(shí)間接近于表面A 的四倍。在不同淬火初溫下，隨著疏水性的增加，淬火曲線(xiàn)逐漸偏離典型的淬火曲線(xiàn)，總體上其膜態(tài)沸騰階段區(qū)間增加，過(guò)渡和核態(tài)沸騰階段被壓縮。拋光表面A的淬火曲線(xiàn)與典型的淬火曲線(xiàn)基本一致，依次有膜態(tài)沸騰、過(guò)渡沸騰、核態(tài)沸騰和自然對(duì)流階段。表面E的淬火曲線(xiàn)與典型的淬火曲線(xiàn)形態(tài)差別最大，整個(gè)沸騰過(guò)程只有膜態(tài)沸騰階段，使CHF和MHF在沸騰曲線(xiàn)中消失。對(duì)應(yīng)的淬火曲線(xiàn)表現(xiàn)為溫度隨時(shí)間速率單調(diào)變化，曲線(xiàn)上無(wú)CHF 和MHF 對(duì)應(yīng)的典型拐點(diǎn)。這表明，由于Cassie狀態(tài)[33]的存在，超疏水表面即使在極低過(guò)熱度下仍存在膜態(tài)沸騰。

圖4 不同淬火初溫下的淬火曲線(xiàn)Fig.4 Quenching curves at different initial quenching temperatures

2.2 沸騰曲線(xiàn)

圖5 示出了不同淬火初溫下的沸騰曲線(xiàn)。可見(jiàn)，總體上五個(gè)表面的沸騰曲線(xiàn)均隨接觸角增大而逐漸向下偏移，沸騰曲線(xiàn)的CHF 隨接觸角增加而逐漸減小，直至表面E的CHF點(diǎn)和MHF點(diǎn)在曲線(xiàn)上消失，這一趨勢(shì)在文獻(xiàn)[34]中得到了預(yù)測(cè)。同時(shí)，核態(tài)沸騰階段的曲線(xiàn)斜率，也大致隨接觸角增加而減小。表明隨著疏水性的增強(qiáng)，銅柱表面的沸騰傳熱性能惡化。在三種淬火初溫下，過(guò)渡沸騰階段均可分為兩個(gè)具有不同斜率的亞區(qū)，且曲線(xiàn)數(shù)隨淬火初溫提高而增多，說(shuō)明淬火初溫提高使過(guò)渡沸騰階段分亞區(qū)情況更加明顯。過(guò)渡沸騰階段存在兩個(gè)亞態(tài)的觀(guān)點(diǎn)由Witte 等[35]提出，Hu 等[36]也報(bào)道了同樣的現(xiàn)象。相同疏水性表面上的沸騰曲線(xiàn)，隨淬火初溫升高呈現(xiàn)向右上偏移的趨勢(shì)。分析表明，淬火初溫的升高可強(qiáng)化淬火沸騰傳熱性能。但CHF 值均隨疏水性增加而減小，只是減小的幅度不同，淬火時(shí)間也隨疏水性增加而增加。

圖5 不同淬火初溫下的沸騰曲線(xiàn)Fig.5 Boiling curves at different initial quenching temperatures

圖6 示出了不同淬火初溫下沸騰曲線(xiàn)的MHF、CHF和THF。表面E的超疏水性使其淬火曲線(xiàn)沒(méi)有拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的CHF 和MHF 消失，銅柱表面一直存在完整氣膜。在不同淬火初溫下，CHF 隨疏水性增加而呈下降趨勢(shì)。在淬火初溫310℃下，接觸角從91°增加到109°時(shí)，CHF 從302 kW/m2減小到126 kW/m2。隨著淬火初溫升高，各表面CHF 減小的幅度減小，如淬火初溫420℃下，接觸角91°時(shí)CHF 為319.2 kW/m2，而接觸角144 °時(shí)CHF 為172.9 kW/m2。除超疏水表面E 的MHF 接近0 kW/m2外，MHF 隨疏水性的增加在不同淬火初溫下呈現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。淬火初溫310℃下，隨著疏水性的增加，到達(dá)LFP 的壁面過(guò)熱度（ΔTsat）逐漸降低，同時(shí)對(duì)應(yīng)的MHF 也逐漸減小，如當(dāng)接觸角從91°增加到144°時(shí)，MHF 減小了44%，當(dāng)接觸角從91°增加到162°時(shí)，MHF 從36.5 kW/m2減小為0 kW/m2。淬火初溫380℃下，隨疏水性增加，各表面MHF 減小幅度不大。淬火初溫420℃下，MHF 隨疏水性增加無(wú)明顯減小，甚至個(gè)別點(diǎn)有少許增加趨勢(shì)。據(jù)實(shí)驗(yàn)分析得知，高的淬火初溫使疏水性在實(shí)驗(yàn)中衰退更加明顯，使疏水性表面各特征點(diǎn)的熱通量變化趨勢(shì)隨著淬火初溫的增加而變得不再明顯。CHF-MHF 值反映了潤(rùn)濕性的作用，也表示過(guò)渡沸騰階段最大和最小熱通量之間的區(qū)間長(zhǎng)度。除超疏水表面E 外，CHF-MHF 與CHF值大致呈平行狀態(tài)，其隨疏水性變化的趨勢(shì)類(lèi)似于CHF。

圖6 不同淬火初溫下的MHF、CHF和THFFig.6 MHF, CHF and THF at different initial quenching temperatures

淬火初始溫度對(duì)過(guò)渡沸騰的影響可以由CTP的熱通量、溫度和到達(dá)時(shí)間來(lái)說(shuō)明分亞區(qū)情況。在沸騰曲線(xiàn)（圖5）中可觀(guān)察到，隨著初溫的升高，明顯的分區(qū)現(xiàn)象由兩個(gè)表面增加到四個(gè)表面，即更高的淬火初溫導(dǎo)致表面在更高的疏水性下顯示出明顯的分區(qū)現(xiàn)象。CHF-THF 在三個(gè)淬火初溫下隨疏水性增強(qiáng)都呈減小的趨勢(shì)，表明疏水性的增強(qiáng)使CHF點(diǎn)和CTP 的熱通量值更接近。在310 和380℃的初溫下，THF 和THF-MHF 隨著疏水性的增加而減小，當(dāng)初溫增加到420℃時(shí)，隨著疏水性增加，THF 和THF-MHF不再是減小的趨勢(shì)。同時(shí)由圖可知，THF的緩慢變化和CHF 的大幅減小使CHF-THF 隨疏水性的減小趨勢(shì)類(lèi)似于CHF，同理THF 和THF-MHF也是如此。

圖7 示出了不同淬火初溫下沸騰曲線(xiàn)MHF，CHF 和THF對(duì)應(yīng)的溫度，即LFP、TCHF和CTP。可見(jiàn)，隨疏水性增強(qiáng)，LFP 和TCHF的變化趨勢(shì)大致相同。但在不同淬火初溫下，LFP 和TCHF隨疏水性增強(qiáng)呈現(xiàn)出不同變化趨勢(shì)。例如，淬火初溫310℃下，隨著疏水性的增加，LFP 逐漸減小，對(duì)應(yīng)的MHF 也隨之減小；TCHF總體上也隨疏水性增強(qiáng)而減少，減小幅度小于LFP，當(dāng)接觸角從109°增加到144°時(shí)TCHF僅減小了36%。隨淬火初溫提高，LFP 和TCHF隨疏水性減少的趨勢(shì)變得不再明顯，淬火初溫的提高削弱了疏水性對(duì)LFP 和TCHF的影響。LFP-TCHF表示MHF 和CHF 間溫度差，也表示兩者間過(guò)渡沸騰溫度區(qū)間的長(zhǎng)度。可見(jiàn)，LFP-TCHF隨疏水性增強(qiáng)無(wú)明顯變化趨勢(shì)，因?yàn)檫^(guò)渡沸騰相對(duì)于其他階段氣泡劇烈擾動(dòng)導(dǎo)致該溫度區(qū)間長(zhǎng)度隨疏水性變化的不確定性有所增加。

圖7 不同淬火初溫下的LFP、TCHF和CTPFig.7 LFP, TCHF and CTP at different initial quenching temperatures

在310 和380℃的初溫下，有分區(qū)的表面的CTP 隨著疏水性增加而減小，表明疏水性的增強(qiáng)使CTP 在較低的溫度下發(fā)生。LFP-CTP 隨著疏水性增強(qiáng)而增大，同時(shí)CTP-TCHF隨疏水性增強(qiáng)而減小，表明疏水性增強(qiáng)使過(guò)渡膜態(tài)沸騰亞區(qū)的溫度區(qū)間增加。CTP-TCHF對(duì)應(yīng)的整個(gè)過(guò)渡沸騰區(qū)間也是增加的，說(shuō)明過(guò)渡膜態(tài)沸騰亞區(qū)占過(guò)渡沸騰階段的比例也增加了。由圖5 和圖7 可知，310℃初溫下這種變化最明顯，380℃時(shí)，變化趨勢(shì)變緩，隨著淬火初始溫度增加到420℃，上述變化趨勢(shì)變得不再明顯。這是高的淬火初溫使表面疏水性衰退更為明顯導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)后測(cè)得各表面接觸角都有所減小，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明高初始溫度下接觸角減小更明顯。

圖8 示出了不同淬火初溫下沸騰曲線(xiàn)MHF、CHF 和THF 對(duì)應(yīng)的時(shí)間tMHF、tCHF、tTHF，以及整體的淬火時(shí)間。可見(jiàn)，不同淬火初溫下淬火時(shí)間均隨疏水性增強(qiáng)而增加。淬火初溫310℃下，淬火時(shí)間隨疏水性近似線(xiàn)性增加。淬火初溫380℃時(shí)，表面A淬火時(shí)間由35 s 增加到48 s，表面E 淬火時(shí)間由95.5 s 增加到128.5 s，但淬火時(shí)間隨疏水性增強(qiáng)不呈線(xiàn)性增加關(guān)系。淬火初溫420℃時(shí)，表面D淬火時(shí)間相對(duì)于低淬火初溫有所下降，表面E淬火時(shí)間和380℃初溫下的基本一致，這與表面粗糙度、疏水性及氣膜破裂和擾動(dòng)過(guò)程的關(guān)系有關(guān)，有待深入分析。由此可知，隨著淬火初始溫度的升高，淬火時(shí)間隨疏水性增加而增加有所減緩，高疏水性表面的淬火時(shí)間隨淬火初溫升高甚至有減小趨勢(shì)。這說(shuō)明，淬火初溫的升高相對(duì)加速了淬火冷卻的進(jìn)程。tCHF-tMHF表示兩個(gè)臨界熱通量點(diǎn)間時(shí)間差，也代表過(guò)渡沸騰持續(xù)時(shí)間；在淬火初溫310℃下其值隨疏水性增強(qiáng)先略有增加后有所下降，而在淬火初溫380和420℃下其值隨疏水性增強(qiáng)而略有增加，這有待進(jìn)一步更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明。

圖8 不同淬火初溫下的tMHF、tCHF、tTHF和淬火時(shí)間Fig.8 tMHF, tCHF, tTHF and quenching time at different initial quenching temperatures

由圖8還可見(jiàn)，在三種淬火初溫下，CHF 均緊隨CTP 發(fā)生，時(shí)間間隔很小，tCHF-tTHF很小都只有1 s 左右。這也使tCHF-tMHF和tTHF-tMHF的差值很小，對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)幾乎成平行狀態(tài)。在310 和380℃的初溫下，tTHF隨著疏水性的增加而增加，表明疏水性的增強(qiáng)使CTP 延遲發(fā)生。tTHF-tMHF隨著疏水性增強(qiáng)而增加，表明過(guò)渡膜態(tài)沸騰的持續(xù)時(shí)間也增加，tCHF-tMHF也隨疏水性增加而增加，而tCHF-tTHF變化很小，說(shuō)明過(guò)渡膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間占整個(gè)過(guò)渡沸騰的時(shí)間比例也增加。當(dāng)初始溫度增加到420℃時(shí)，上述的變化趨勢(shì)也變得不再明顯。

2.3 傳熱性能

銅柱表面平均傳熱系數(shù)定義為h=q"/ΔTsat。圖9示出了不同淬火初溫下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨壁面過(guò)熱度的變化情況。除膜態(tài)沸騰階段部分?jǐn)?shù)值點(diǎn)重合和淬火初溫420℃下表面D 外，其他階段傳熱系數(shù)均隨疏水性增強(qiáng)而逐漸減小，峰值逐漸向下偏移，直至超疏水表面E 的峰值消失，傳熱系數(shù)隨過(guò)熱度變得單調(diào)。在剛進(jìn)入膜態(tài)沸騰階段時(shí)傳熱系數(shù)均緩慢增加且差異不大，從LFP 開(kāi)始傳熱系數(shù)突增且隨壁面過(guò)熱度變化趨勢(shì)類(lèi)似于沸騰曲線(xiàn)。隨淬火初溫提高，傳熱系數(shù)隨壁面過(guò)熱度的變化趨勢(shì)也有所差異。由于淬火初溫提高使疏水性作用有所削弱，傳熱系數(shù)在較高過(guò)熱度下開(kāi)始升高，升高幅度也隨淬火初溫提高而增加，這在表面D 上表現(xiàn)較明顯。

圖9 不同淬火初溫下的傳熱系數(shù)Fig.9 Heat transfer coefficients at different initial quenching temperatures

圖10 示出了不同淬火初溫下不同疏水性表面CHF、MHF 處的傳熱系數(shù)（hCHF、hMHF）和最大傳熱系數(shù)（hmax）。分析可知，傳熱系數(shù)最大值在DNB 附近，這是由于接近CHF 時(shí)疏水性銅柱表面仍被較大氣泡包圍所致。總體上，在相同淬火初溫下，hCHF和hmax隨疏水性增強(qiáng)而下降。淬火初溫提高，對(duì)于同一疏水表面的hCHF和hmax沒(méi)有明顯影響。hMHF在淬火初溫310℃下隨疏水性增強(qiáng)而增加，在淬火初溫380℃下只有表面D 相對(duì)于表面C 增加較多，在淬火初溫420℃下隨疏水性增強(qiáng)無(wú)明顯變化趨勢(shì)。由以上不同淬火初溫下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)，類(lèi)似于淬火初溫對(duì)沸騰曲線(xiàn)的影響，即高的淬火初溫在實(shí)驗(yàn)后使表面疏水性衰退更明顯，疏水性對(duì)hMHF的影響程度隨淬火初溫提高而被削弱。hMHF受此影響在高淬火初溫下隨著疏水性增加而增加的趨勢(shì)變得不再明顯。淬火初溫310℃下，hMHF隨疏水性增強(qiáng)而增加，是因?yàn)槭杷缘脑黾邮筁FP在較低的過(guò)熱度和熱通量下發(fā)生，此時(shí)氣膜較薄、熱阻較低，同時(shí)導(dǎo)致固液接觸的機(jī)會(huì)更加頻繁所致。

圖10 不同淬火初溫下的hCHF、hMHF和hmaxFig.10 hCHF, hMHF and hmax at different initial quenching temperatures

3 結(jié) 論

本文研究了不同淬火初溫下疏水性對(duì)淬火沸騰傳熱特性的影響規(guī)律。疏水性增強(qiáng)使淬火曲線(xiàn)右移，沸騰曲線(xiàn)向左下偏移。淬火初溫提高，沸騰曲線(xiàn)偏移的趨勢(shì)降低。曲線(xiàn)中的CHF、CTP、LFP 都受到相應(yīng)變化的影響。這是高淬火初溫使實(shí)驗(yàn)后的疏水性衰退更明顯導(dǎo)致的。說(shuō)明疏水性增強(qiáng)總體惡化了淬火沸騰傳熱，而淬火初溫升高則相對(duì)強(qiáng)化了沸騰傳熱。淬火初溫的提高還使過(guò)渡沸騰階段分亞區(qū)更加明顯，分亞區(qū)的表面隨之增加；傳熱系數(shù)表現(xiàn)出類(lèi)似于沸騰曲線(xiàn)受淬火初溫影響的變化趨勢(shì)，并且發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)最大值并沒(méi)有發(fā)生在CHF 處，而是在DNB 附近。本文探討的淬火初始溫度對(duì)疏水性表面的作用規(guī)律對(duì)工程應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。進(jìn)一步還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方式探討其中深層次的機(jī)理分析，也可以探討淬火初溫對(duì)親水面或親疏水面的作用規(guī)律。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Bi——Biot數(shù)

CHF——臨界熱通量，kW/m2

CTP——臨界過(guò)渡點(diǎn)，℃

h——傳熱系數(shù)，W/(m2·K)

LFP——Leidenfrost點(diǎn)，℃

MHF——最小熱通量，kW/m2

q"——熱通量，kW/m2

Ra——平均方差粗糙度，μm

T——溫度，℃

THF——轉(zhuǎn)變熱通量，kW/m2

ΔTsat——壁面過(guò)熱度，℃

t——時(shí)間，s

θ——接觸角，(°)

下角標(biāo)

max——最大值

sat——飽和狀態(tài)