水通常是传热的首选资源，用于大规模冷却操作，例如为互联网供电的数据中心和为城市供电的核电站。机械工程系副教授兼约翰·R·琼斯三世教员乔纳森·博雷科(JonathanBoreyko)正在进行的工作是发现动态现象，使水基传热更加节能且更具成本效益。

工程表面有助于沸腾的气泡跳跃以携带更多热量

Boreyko和他的团队发表了大量关于水及其移动方式的文章，他的受自然启发的流体和界面实验室的成员生产了由表面张力推动跳跃的水滴和通过静电跳跃的霜。在前两卷中纳入了液体和固体两相后，第三卷研究了沸水的第三相。

“在杜克大学进行博士研究期间，我发现了跳跃的水滴，”博雷科说。“十年后，我自己的研究生在研究霜生长时发现了跳冰。这使我决心完成一个跳水的三相‘三部曲’，我们通过这篇关于水沸腾过程中跳泡的论文实现了这一目标。水。当Hyunggon向我展示三部曲中这些跳跃气泡的第一个视频时，不用说，我激​​动得跳了起来。”

研究生HyunggonPark发明了一种微结构锅炉，能够释放通常大小十分之一的气泡，并稳定地释放大量气泡来携带能量。其结果是一种更有效的去除表面热量的方法。该研究发表在《先进功能材料》上。

以沸腾为基础

沸腾是通过水持续传递热量的最有效方式。如果沸腾保持不变，能量的流失也会保持不变。能量在气泡中被带走，就像球形汽车载着热乘客一样。当这些气泡自身的浮力强于表面附着力时，它们通常会离开，导致它们上升到表面并释放能量。

帕克和博雷科的新方法改进了这一原理，使泡泡车车队更小、数量更多。因为气泡的离开更加频繁，所以更多的能量乘客也离开了。气泡不会等待自身的浮力来完成工作，而是以更快的速度从加热的表面跃出。由于气泡在微观上也很小，因此该团队解决了较大气泡发生的故障以及阻碍热量排出的问题。

“通常情况下，当这些直径为毫米的表面气泡时，浮力会将它们分离，使它们逸出并以蒸汽的形式带走热量，”博雷科说。“当在较高温度下沸腾时，这些大的表面气泡合并在一起形成连续的蒸气膜。该膜将液体与热表面隔离，导致传热中断。”

该团队方法的秘密在于他们创造的工程表面。通过在沸腾表面上制造一系列微腔，气泡优先在腔内形成和生长。成对的空腔被故意放置得非常靠近，导致相邻的气泡以异常小的尺寸合并在一起。在如此小的尺寸下，表面张力非常强，导致气泡在合并在一起时从表面跳开。就数据中心而言，更快速地从表面散热可能意味着照常运营和代价高昂的停机之间的区别。

在很多方面，这种跳跃气泡效应与博雷科之前发现的跳跃露滴非常相似。表面张力的使用在这两种情况下都被证明是有价值的，但增加的热量因素给画面带来了新的动力。

将这些部分放在一起，Boreyko预计，当寻找冷却和传热的广泛应用时，跳跃现象将更加实用。

“为了使液滴跳跃，表面需要疏水涂层和超小纳米结构，这两者都很脆弱且昂贵，”Boreyko解释道。“相比之下，气泡更喜欢在亲水表面上跳跃，这使得可以使用无涂层的金属。此外，跳跃气泡所需的微腔比跳跃液滴所需的纳米结构更大、更耐用。”

该项目为理解跳跃气泡效应的流体力学奠定了更深入的基础。下一步是测量通过沸腾改善的传热，绘制各种温度和表面几何形状的图，以便更好地了解跳跃增强沸腾的全部潜力。