微電子設(shè)備的運行頻率和集成程度的不斷提高，使其熱流密度逼近了傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的極限。過多熱量的積累嚴(yán)重影響了高性能芯片的可靠性和發(fā)展，使得高效的熱管理成為當(dāng)今信息技術(shù)領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。在眾多冷卻方法中，相變傳熱技術(shù)（如噴霧冷卻[1]）因能夠利用流體的汽化潛熱而被視為最有前景的解決方案。水滴撞擊熱表面的過程是這些應(yīng)用中的基礎(chǔ)研究內(nèi)容，對其深入研究具有重要的理論價值和工程指導(dǎo)意義。
理想情況下，通過撞擊水滴的快速擴(kuò)散實現(xiàn)高效且大量的熱量散發(fā)，從而最大化相變傳熱。然而，這種高效的傳熱過程受到萊頓弗羅斯特現(xiàn)象[2]的限制。當(dāng)表面溫度超過某一閾值時，水滴底部與過熱表面之間的接觸區(qū)域會迅速蒸發(fā)，形成一層蒸汽膜，將水滴與表面隔開。此時，傳熱主要通過蒸汽膜進(jìn)行，大大降低了水滴與表面之間的熱流。這導(dǎo)致傳熱模式從高效的對流和沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)橐詡鲗?dǎo)為主的膜沸騰，容易引起設(shè)備燒毀。萊頓弗羅斯特效應(yīng)不僅限制了相變散熱器的最大冷卻能力，還經(jīng)常出現(xiàn)在航空航天、冶金和核能等眾多工業(yè)領(lǐng)域的安全設(shè)計中。這是一個亟需克服的不利現(xiàn)象。
為了抑制萊頓弗羅斯特現(xiàn)象，研究人員主要采取了兩種方法：表面改性和流體性質(zhì)改變。通過微納制造技術(shù)創(chuàng)建了各種表面微結(jié)構(gòu)[4]，包括微針、微通道、多孔結(jié)構(gòu)以及超親水/超疏水涂層[5]、[6]。這些改進(jìn)增強(qiáng)了表面毛細(xì)力，促進(jìn)了液體的回流，從而穩(wěn)定了液膜并延緩了蒸汽膜的形成。Bernardin等人的實驗[7]表明，增加表面粗糙度可以顯著提高萊頓弗羅斯特溫度。然而，表面改性技術(shù)通常面臨制造工藝復(fù)雜、成本高以及長期使用后結(jié)構(gòu)退化或堵塞等問題。相比之下，納米流體技術(shù)更為便捷，自20世紀(jì)90年代以來受到了廣泛關(guān)注[8]、[9]、[10]、[11]，因為其具有優(yōu)異的傳熱性能。納米流體是通過將納米顆粒（NPs）懸浮在去離子（DI）水、乙二醇或油等基礎(chǔ)流體中制備的，NPs的加入不僅提高了流體的等效熱導(dǎo)率，還為沸騰過程中的氣泡生成提供了大量 nucleation sites。這些快速生成的氣泡有效地破壞了氣液界面，擾亂了蒸汽膜的連續(xù)性和穩(wěn)定性。
盡管納米流體顯示出巨大的潛力，但在面對極高熱流密度時，其抑制效果仍不足。此外，現(xiàn)有研究主要集中在靜態(tài)池沸騰或相對較低過熱度的撞擊沸騰上。研究表明，當(dāng)表面溫度達(dá)到萊頓弗羅斯特條件時，納米流體水滴的行為會發(fā)生顯著變化[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。Liu等人[17]觀察到銀納米流體水滴在高溫下表現(xiàn)出更明顯的收縮和反彈現(xiàn)象。Duursma等人[18]發(fā)現(xiàn)了納米流體在沸騰過程中的獨特二次霧化噴射現(xiàn)象。這些現(xiàn)象表明納米流體水滴與表面之間存在復(fù)雜的相互作用。然而，對納米流體抑制萊頓弗羅斯特效應(yīng)的物理機(jī)制及其上限的理解仍不充分。
除了上述策略外，利用外部場進(jìn)行控制提供了一種替代方法。電場因其響應(yīng)迅速、控制精度高、能耗相對較低且沒有運動部件而備受青睞。其基本原理在于電水動力學(xué)（EHD）效應(yīng)[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。當(dāng)電場作用于流體介質(zhì)時，會誘導(dǎo)多種體積力，從而驅(qū)動流體運動或改變界面形態(tài)。研究表明，施加足夠強(qiáng)的電場（無論是直流電[23]還是低頻交流電[19]）都能產(chǎn)生能夠有效撕裂蒸汽膜的力量。這迫使水滴重新接觸并濕潤加熱表面，顯著抑制了萊頓弗羅斯特效應(yīng)。Wildeman[25]觀察到水滴的反彈高度隨電場強(qiáng)度的增加而增加，而Deng等人[26]發(fā)現(xiàn)表面自由電荷可以有效抑制過熱水滴的萊頓弗羅斯特反彈，使其呈現(xiàn)振蕩式的擴(kuò)散-收縮行為，而不是完全反彈。這顯著延長了固液接觸時間，提高了傳熱效率。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了電場在干預(yù)瞬態(tài)相變過程和增強(qiáng)傳熱方面的巨大潛力。
值得注意的是，這兩種強(qiáng)大的強(qiáng)化方法——納米流體和電場——表現(xiàn)出一種耦合機(jī)制，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[27]、[28]、[29]。近年來，Chen等人[30]通過實驗和數(shù)值模擬系統(tǒng)研究了電場在方形腔體中對納米流體傳熱特性的影響機(jī)制。結(jié)果表明，懸浮在基礎(chǔ)流體中的NPs由于雙電層效應(yīng)通常帶有表面電荷。在電場的作用下，這些顆粒會受到強(qiáng)烈的電泳力作用，加速納米顆粒的運動，使納米流體的等效熱導(dǎo)率在強(qiáng)電場下得到遠(yuǎn)超常規(guī)水平的提升。例如，在18 kV/cm的電場下，基于變壓器油的納米流體的等效熱導(dǎo)率增強(qiáng)率可達(dá)到160.0%。這種“電場-納米顆粒-基礎(chǔ)流體”相互作用產(chǎn)生的協(xié)同增益效應(yīng)表明，電場不僅作用于氣液界面和蒸汽膜，還通過增強(qiáng)納米顆粒的微觀運動從另一個維度提升了納米流體的傳熱性能。
迄今為止，電場和納米流體對過熱表面上水滴擴(kuò)散和傳熱的耦合效應(yīng)仍不清楚。我們之前的研究[31]、[32]、[33]揭示了電場下水滴行為的某些模式，這激發(fā)了我們在此領(lǐng)域的進(jìn)一步研究。因此，本研究旨在系統(tǒng)揭示均勻電場在平板上與納米流體相互作用的過程，以及水滴撞擊過熱表面時的情況。我們將系統(tǒng)研究SiO2-DI水納米流體水滴在多種操作條件下的運動行為，定量分析電場和納米顆粒濃度對最大擴(kuò)散系數(shù)和平均熱通量等關(guān)鍵參數(shù)的影響。
