在科技迅猛发展时代，设备功率持续攀升，与此同时，设备体积却逐步缩小。这一增一减，致使对设备的有效热管理技术形成了愈发严峻的挑战。在此背景下，因潜热释放而具有优异传热性能的沸腾传热及其强化技术受到广泛关注。然而，沸腾现象中，液体工质及其蒸气具有巨大的密度差异，重力或浮力对该现象中的气液两相流动与传热具有重要影响，进而导致地面重力环境中不同加热面朝向之间，或空间微/变重力环境与地面常重力环境之间，沸腾传热性能往往迥异。中国科学院力学研究所杜王芳副研究员和中南大学李庆教授、刘斌副教授团队合作，通过系统性的地面常重力实验，研究了在加热面水平朝下这种最不利的传热构型中，电场强度（E）、电极安装高度（H）和电极形状（棒状、格状和网状）对池沸腾传热性能的影响。该研究成果以“Experimental study on the enhancement of boiling heat transfer performance under the condition of the downward heating surface by an electric field”为题发表于国际微重力科学旗舰期刊Microgravity Science and Technology上。

研究结果表明，无电场作用时，相比于水平朝上构型，水平朝下构型沸腾起始提前，在低壁面过热度时传热性能较优，但临界热流（CHF）显著减小，甚至与水平朝上构型起始沸腾热流相当，表现出明显的传热恶化特征。施加电场会明显强化传热，强化效果随着电场强度的增加而增加，最高可使CHF增加440%（网状电极，E=1.40×10⁶ V/m）。但是，电极会阻碍气泡的分离，尤其是电极安装高度较低时阻碍作用更明显，会抑制传热强化效果。同时，电极的微肋越多，分布越密集，产生的电场将越均匀，能减弱非均匀电场引起的“夹断效应”，有利于提高沸腾传热性能。实验结果表明，格状和网状电极均可显著增强CHF，在H=5.0 mm和E=1.40×10⁶ V/m条件下，二者所观测到的CHF值甚至是无电场条件下水平朝上构型的2倍。鉴于地面常重力环境中，浮力在水平朝下构型下对气泡的脱落与运动起着阻碍作用，相关实验结果表明电场强化技术在空间微重力环境中将会获得更为乐观的沸腾传热性能。该研究结果为通过电场增强空间微重力环境沸腾传热提供可靠依据和优化指导。

中南大学博士生张谢旸为论文第一作者，刘斌副教授和杜王芳副研究员为共同通讯作者。此工作得到中国科学院微重力重点实验室开放基金（NML202307）、国家自然科学基金（52206128）和湖南省自然科学基金（2022JJ40603和2022JJ30726）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s12217-024-10154-4

图1：水平朝上（左）和水平朝下（右）构型中重力对气泡行为的影响

图2：实验装置示意图

图3：不同电极安装高度和电场强度下格状电极（上）和网状电极（下）对加热面水平朝下构型沸腾传热的强化效果