电场辅助下铜纳米流体在Cu–石墨烯纳米结构表面的沸腾传热分子动力学研究

研究背景

随着高功率电子器件和先进能源系统不断向高热流密度与微纳尺度发展，如何有效调控固–液界面附近的能量传递、气泡成核及相变过程，已成为先进热管理领域的重要科学问题。纳米流体、纳米结构表面以及外加电场均具有强化沸腾传热的潜力，但三者共同作用下的原子尺度耦合机制仍缺乏系统认识。本文采用分子动力学模拟方法，构建铜纳米流体在 Cu–graphene 纳米结构异质表面上的沸腾传热体系，分别考察半径为 1.985 nm 和 2.708 nm 的铜纳米颗粒，并引入无电场、正/负直流电场和正弦交变电场，对气泡成核、能量吸收、流体温升、蒸发行为及纳米颗粒运动进行系统分析。进一步结合能量分布、颗粒运动轨迹和壁面温度场，从原子尺度揭示「纳米颗粒—异质界面—电场」多因素协同调控沸腾传热的作用机制。

研究内容

本研究采用分子动力学方法，构建铜纳米流体在 Cu–graphene 纳米结构异质表面上的沸腾传热模型，系统考察纳米颗粒构型、外加电场类型及正弦电场频率对气泡成核、生长及界面能量传递的影响。通过对比不同粒径铜纳米颗粒体系在无电场、直流电场和正弦交变电场下的沸腾行为，分析流体能量吸收、平均温度、蒸发强度及纳米颗粒运动特征。结合 PK 能量分布与颗粒轨迹揭示异质界面优先成核机制及电场调控作用，并进一步研究 0.05–0.3 THz 正弦电场频率对成核时刻和气泡生长的影响，为纳米流体、功能化界面与主动电场协同强化沸腾传热提供原子尺度机制解释。

研究结论

本文系统分析了不同纳米颗粒构型、电场类型及正弦电场频率对 Cu–graphene 异质界面上铜纳米流体沸腾行为的影响，揭示了纳米颗粒运动、界面结构和外加电场共同调控气泡成核与能量传递的微观机制。

（1）在固定颗粒数量条件下，小粒径纳米颗粒体系（r = 1.985 nm）整体表现出更早的气泡成核和更强的后期热响应。该现象与小颗粒更强的运动能力、更均匀的能量再分配以及对异质界面优先成核区域的有效激活有关。由于两种体系同时存在颗粒半径和体积分数差异，因此该结果反映的是整体纳米颗粒构型效应，而非单一粒径效应。

（2）外加电场的强化效果具有明显的纳米颗粒构型依赖性。对于大颗粒体系，正弦交变电场的强化作用最为显著，而直流电场的作用相对有限；对于小颗粒体系，电场不一定进一步提前初始成核，但可明显提高成核后的能量吸收、流体平均温度和蒸发强度。

（3）Cu–graphene 空间异质界面对气泡成核位置具有决定性影响，稳定气泡核始终优先出现在裸露 Cu 孔区域。大颗粒体系表现为局域「颗粒—异质界面」耦合成核，小颗粒体系则表现为「颗粒全局调控—异质界面控制成核」的协同机制。

（4）在正弦电场作用下，小颗粒具有更大的运动范围，可作为移动热载体在流体与壁面附近持续迁移，促进基底热量重新分配并削弱局部热量积聚；相比之下，大颗粒运动范围较小，更容易形成局域传热通道和明显的温度非均匀性。

（5）在电场幅值为 0.03 V/Å 时，将正弦电场频率由 0.05 THz 提高至 0.3 THz，可在所研究范围内持续促进气泡提前成核和后续生长。其中 0.3 THz 工况表现出最强的后期热响应，流体能量吸收比例达到 69.51%。不同频率下气泡仍优先在同一裸露 Cu 孔区域成核，表明电场主要调节局部能量积累速率和成核激活时间，而不改变优先成核位置。

相关成果以 Molecular dynamics study of electric-field-assisted boiling heat transfer of copper nanofluids on Cu–graphene nanostructured surfaces 为题发表于 《International Journal of Heat and Mass Transfer》。文章第一作者为安徽工业大学博士毕业生、现为长江大学石油工程学院许年，通讯作者为安徽工业大学能源与环境学院楚化强。

研究数据

Graphical Abstracts

图1. 分子动力学模拟体系及 Cu–graphene 异质界面结构。（a）气–液相变模拟体系；（b）Cu–graphene 基底结构；（c）两种铜纳米流体构型。

图2. 不同纳米颗粒构型及电场条件下的气泡成核与演化过程。上部为大颗粒体系（r = 2.708 nm），下部为小颗粒体系（r = 1.985 nm）；红色时间标记为对应工况的气泡成核时刻。

图3. 不同工况气泡成核时刻的 PK 能量分布及对应原子构型。局部正能量区域与气泡核位置相对应，稳定成核优先发生于裸露 Cu 孔区域附近。

图4. 正弦电场下不同粒径铜纳米颗粒的运动行为及对应基底温度分布。小颗粒具有更大的运动范围，可促进热量在界面及流体中的动态再分配。

图5. 不同正弦电场频率下流体能量吸收比例和平均温度随时间的变化。0.3 THz 工况表现出最强的后期热响应，流体能量吸收比例最高达到 69.51%。

文章信息

• 期刊：International Journal of Heat and Mass Transfer
• 题目：Molecular dynamics study of electric-field-assisted boiling heat transfer of copper nanofluids on Cu–graphene nanostructured surfaces
• 作者：Nian Xu, Jun Chen, Xiangjun Zhou, Dongdong Wang, Huaqiang Chu
• DOI：10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129585