沸水这个简单操作是人类最古老的发明之一，也是今天许多技术的核心，从咖啡机到核电站。然而，这个看似简单的过程却有着长期以来难以完全理解的复杂性。现在，麻省理工学院研究人员找到了一种方法来分析热交换器和其他技术所面临的最棘手的问题之一：
如何预测和预防一种被称为沸腾危机的危险和潜在灾难性事件，而沸腾水在这些技术中扮演着核心角色。这是当如此多的气泡在一个热的表面形成，合并成一个连续的蒸汽片，阻止任何进一步的传热从表面到水。
博科园：这类事件可能导致核电站的弱化或融化，因此核电站的设计运行水平远低于可能引发沸腾危机的水平。这种新理解可能会降低所需的营业利润率，从而使这些工厂能够在更高的产出水平上安全运营。2019年4月5日核工程助理教授Matteo Bucci、研究生张立苗和Jee Hyun Seong在《物理评论快报》上发表了一篇论文，介绍了这一新的研究结果。这是一个非常复杂的现象，尽管它已经被“研究了一个多世纪，但仍然存在很大的争议，即使是在21世纪，谈论能源革命，计算机革命，纳米晶体管，所有伟大的事情。然而，在这个世纪，甚至在下个世纪，这些都受到传热的限制。
- 麻省理工学院研究人员已经找到了一种方法来分析如何预测和防止沸腾危机。沸腾危机是指在一个热表面上形成了如此多的气泡，它们合并成一个连续的蒸汽薄片，阻止了从表面到水的任何进一步的热传递。图片：Massachusetts Institute of Technology
例如，随着计算机芯片变得更小、功能更强大，一些高性能处理器可能需要液体冷却来散热，而对于普通的冷却风扇来说，液体冷却散热太过强烈。(一些超级计算机，甚至一些高端的游戏pc，已经使用泵送水来冷却芯片)。同样，世界上大部分电力的发电厂，无论是化石燃料、太阳能还是核电站，主要通过产生蒸汽来驱动涡轮机发电。在核电站里，水由燃料棒加热，燃料棒通过核反应加热水。热量通过金属表面扩散到水中，负责将能量从燃料转移到发电涡轮，但这也是防止燃料过热并可能导致熔毁的关键。在沸腾危机的情况下，从金属中分离出液体的蒸汽层的形成可以阻止热量的转移，并可能导致快速过热。
由于这种风险，法规要求核电站的热流密度不能超过临界热流密度(CHF)的75%，而临界热流密度是可能引发沸腾危机、破坏关键部件的热流密度。但由于对CHF的理论基础了解甚少，因此对这些水平的估计非常保守。Bucci说，如果对这一现象有更大的把握，那么这些核电站有可能在更高的温度下运行，从而用同样的核燃料生产更多电力。更好地理解沸腾和CHF是“一个如此困难的问题，因为它是非常非线性的”，材料或表面纹理的微小变化可以产生很大影响。但现在，由于有了能够在实验室实验中捕捉到这一过程细节的更好仪器，我们已经能够以所需的时空分辨率实际测量并绘制出这一现象的图表，从而能够从一开始就理解一场沸腾危机是如何开始的。
事实证明，这种现象与城市的交通流量或疾病在人群中传播的方式密切相关。本质上，这是一个事物聚集在一起的方式的问题。当一个城市的汽车数量达到一定阈值时，就有一个更大的阈值。可能会在某些地方挤成一团，造成交通堵塞。而且，当疾病携带者进入机场或礼堂等拥挤的场所时，引发疫情的几率就会增加。研究人员发现，加热表面上的气泡数量也有类似规律；超过一定的气泡密度，气泡聚集、合并并在该表面形成绝缘层的可能性就会增大。沸腾的危机本质上是气泡聚集结果，这些气泡相互融合、合并，导致表面破裂。
由于相似之处，Bucci说，我们可以获得灵感，用同样的方法来模拟沸腾，就像用同样的方法来模拟交通堵塞一样。这些模型已经得到了很好的探索。现在，在实验和数学分析的基础上，Bucci和合著者已经能够量化这一现象，并找到更好的方法来确定何时会发生这样的泡沫合并。证明，使用这种模式，可以预测沸腾危机何时会发生，基于正在形成的泡沫的模式和密度。分析显示，表面的纳米结构起着重要作用，这是几个因素之一，这些因素可能被用来进行调整，从而提高CHF。从而潜在地导致更可靠的传热，无论是对发电厂、先进计算机芯片的液体冷却，还是许多其他传热是一个关键因素的过程。
不仅可以利用这些信息来预测沸腾危机，还可以通过改变沸腾表面来探索解决方案，从而最大限度地减少气泡之间的相互作用，利用这种理解来改善表面，这样我们就可以控制和避免‘气泡堵塞’。如果这项研究能够实现一些改变，使核电站能够在更高的热流密度下安全运行，也就是说，它们散热的速度比目前允许的要快，其影响可能是显著的。如果能证明通过控制地表，可以将临界热流增加10%到20%，那么通过更好地利用现有的燃料和资源，就可以在全球范围内提高同样数量的发电量。
博科园-科学科普｜研究/来自: 麻省理工学院/David L. Chandler
参考期刊文献:《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.132001
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