基于13,600 fps高速成像技术揭示了负偏度微凹坑表面相较于微柱表面能有效抑制蒸汽流动阻力从而提升莱登弗罗斯特点的现象，并通过受力平衡模型与冷却实验验证了其在高效蒸发冷却领域的应用潜力。详细研究成果请查阅：doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.122445

1 实验背景

高热流密度组件的热管理及金属切削加工过程中，切削液液滴撞击高温壁面时的莱登弗罗斯特效应是制约传热效率的关键瓶颈。当壁面温度达到莱登弗罗斯特点时，液滴与壁面间形成稳定气膜，导致传热恶化。

现有表面调控研究多关注表面粗糙度、润湿性和微纳结构尺度等因素，但具有相同粗糙度而三维形貌特征（偏度Ssk）不同的表面对气膜稳定性及蒸汽流动阻力的具体影响机制尚不明确。

合肥工业大学研究团队利用皮秒激光加工制备具有相同粗糙度但峰谷特征迥异的微结构表面，引入千眼狼（Revealer）高速摄像机作为液滴瞬态行为的核心观测设备， 通过记录液滴接触、铺展、汽泡生成、飞溅、破碎及离壁全过程，识别不同沸腾模态，进而界定静态与动态莱登弗罗斯特点，并结合受力平衡模型和冷却实验分析三维表面形貌对高温液滴传热行为的影响。

2 实验设备

实验核心观测设备采用千眼狼（Revealer）高速摄像机，具备1280×1024像素下13,600 fps的采集能力，用于捕捉液滴撞击加热壁面瞬间的动态形貌、气膜生成及破碎过程。配合该系统，搭建了包括恒温加热平台（最高温600°C）、K型热电偶测温系统及显微图像采集系统在内的完整实验平台，确保对液滴动力学行为与温度场的同步精确获取。

图1-千眼狼高速摄像机以13,600 fps记录切削液液滴撞击加热微柱和微凹坑刀具表面的瞬态沸腾过程，实验系统包括微量注射泵、加热平台、K型热电偶、光源及温度测量系统，用于判定静态和动态莱登弗罗斯特点。

3 实验方法

实验对象选用YT15硬质合金刀具，基于皮秒激光加工技术分别制备微柱阵列表面（正偏度，Ssk＞0）与微凹坑阵列表面（负偏度，Ssk＜0）。通过控制激光扫描参数，使两组试样具有相同的表面粗糙度与固定分数（ϕ = 0.5）。工作介质为水基切削液。实验过程中，通过精密注射泵控制液滴生成，调节升降台高度控制韦伯数，使液滴以特定速度撞击加热后的试样表面。利用高速摄像机从侧面连续记录液滴从接近壁面、接触和铺展，到汽泡形成、液膜破碎、二次液滴产生及最终离壁的全过程。将不同壁面温度下获得的高速图像序列与温度数据对应，即可确定沸腾模态随壁温变化的演化路径及其临界转变温度。

4 实验数据

高速成像界定液滴沸腾模态与莱登弗罗斯特点：

4.1 静态液滴：从沸腾模态演化界定静态莱登弗罗斯特点

高速摄像机首先记录了静止液滴在不同壁面温度下的连续形态演化。如图2所示，随着壁温升高，液滴依次经历单相蒸发、核态沸腾、过渡沸腾和膜态沸腾。单相蒸发阶段，液滴与壁面保持直接接触；进入核态沸腾后，固-液界面出现明显气泡；进一步升温后，气泡聚并形成不稳定蒸汽层，进入过渡沸腾；当稳定蒸汽膜完全隔离液滴与固定表面时，则进入膜态沸腾。

研究将过渡沸腾向膜态沸腾转变对应的临界壁温定义为静态莱登弗罗斯特点（T_L）。这一判据的关键并非温度测量本身，而是高速摄像机能够直接判断液滴与壁面是否仍存在有效固-液接触，从而将瞬态界面状态与壁面温度建立对应关系，使（T_L）从单纯温度特征转化为具有明确物理状态依据的临界参数。

图2-高速摄像机连续记录静止切削液液滴在加热光滑及微结构表面由单相蒸发、核态沸腾、过渡沸腾向膜态沸腾演化的过程，并以稳定莱登弗罗斯特蒸汽膜形成界定静态莱登弗罗斯特点。

4.2 动态液滴：高速成像揭示微结构表面的特征撞击沸腾路径

当液滴以一定速度撞击高温表面后，其沸腾行为明显复杂于静态过程。图3的高速图像表明，光滑表面上，随着壁温升高，撞击液滴可经历单相、核态沸腾、过渡沸腾、回弹雾化及温和膜态沸腾状态；而在微结构表面，过渡沸腾之后还出现中心飞溅、破碎雾化和喷射膜态沸腾等特征模态。

高速序列图像进一步显示，不同沸腾阶段均可能出现二次液滴，但其形成机制并不相同。中心飞溅和破碎雾化阶段仍存在液滴-壁面直接接触，二次液滴主要与界面快速气化、气泡破裂及液膜破碎有关；进入喷射膜态沸腾后，液滴与壁面已被蒸汽层隔离，雾化更多来源于液滴内部气泡及自由表面破裂。因此是否出现二次雾化不足以单独判断微结构表面是否已经进入莱登弗罗斯特状态。

高速摄像机的实验价值在于能够连续追踪液滴接触、铺展、气泡生成、飞溅、破碎及离壁的时间演化过程，从时间演化关系中区分形态相似但物理机制不同的沸腾状态，从而避免仅凭单帧形貌对动态莱登弗罗斯特状态作出误判。

图3-13,600 fps高速摄像机记录切削液液滴撞击高温光滑及微结构表面的单相、核态沸腾、过渡沸腾、回弹雾化、中心飞溅、破碎雾化及喷射膜态沸腾过程，用于识别不同液滴—壁面接触状态及动态莱登弗罗斯特转变。

4.3 建立静态与动态莱登弗罗斯特点识别方法

基于大量不同壁温下的高速序列图像，研究团队进一步将液滴形态演化转化为图4所示的沸腾模态判据。对于静态液滴，静态莱登弗罗斯特点（T_L）对应过渡沸腾→膜态沸腾，对于撞击光滑表面的动态液滴，动态莱登弗罗斯特点（T_{DL}）对应回弹雾化→温和膜态沸腾。对于本文研究的微结构表面，由于存在中心飞溅和破碎雾化等中间模态，其动态莱登弗罗斯特点应以破碎雾化→喷射膜态沸腾之间的临界壁面温度进行界定。

高速摄像机在研究中的核心价值是将毫秒尺度、难以由单一温度信号识别的液滴-高温表面相互作用，转化为可追踪、可分类并可与临界温度对应的动态证据，为后续比较不同三维表面形貌的莱登弗罗斯特特点及建立理论模型提供实验基础。

图4-基于高速摄像机液滴沸腾图像建立的静态与动态莱登弗罗斯特点判定图，对比静止液滴、光滑表面撞击液滴和微结构表面撞击液滴随壁温升高的沸腾模态转变及临界温度。

5 实验结论

本研究利用高速摄像技术作为核心观测手段，结合表面三维形貌表征、温度测量、受力平衡分析及冷却实验，研究了微柱阵列和微凹坑阵列三维峰谷特征对莱登弗罗斯特效应的影响。

1. 高速摄像机以13,600 fps记录液滴撞击高温表面后的连续瞬态行为，清晰区分了单相、核态沸腾、过渡沸腾、中心飞溅、破碎雾化及喷射膜态沸腾等不同状态。并据此界定了微结构表面的动态莱登弗罗斯特点，依据破碎雾化向喷射膜态沸腾、即由有效固-液接触向蒸汽膜隔离状态的转变确定。

2. 以高速成像确定的临界温度作为实验依据，研究建立了液滴底部蒸汽压力与重力压力、毛细压力、水锤压力和动态压力之间的平衡关系，并利用实验结果验证莱登弗罗斯特点预测模型。

3. 实验证实，在相近表面粗糙度和相同固体面积率条件下，负偏度的微凹坑阵列表面相较于微柱阵列表面具有更高的莱登弗罗斯特特点，其内在机理在于表面峰谷特征改变了蒸汽流动阻力。

本研究表明，高速摄像机＋同步温度测量＋三维表面形貌表征能够建立液滴瞬态动力学、莱登弗罗斯特临界状态与宏观冷却性能之间的实验关联。对于液滴撞击、喷雾冷却、沸腾换热、高温加工冷却及功能微结构表面等热科学与表面工程研究，高速摄像技术可为毫秒尺度界面行为及其传热机制研究提供关键的时间分辨依据。

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