耑 銳 李紅兵 王 文 張 亮

(1上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201108)(2上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

低流量下陣列式微通道對(duì)流沸騰特性實(shí)驗(yàn)研究

耑 銳1李紅兵1王 文2張 亮1

(1上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201108)(2上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

設(shè)計(jì)了陣列式微通道熱沉結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了并R134a的沸騰流動(dòng)換熱實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明，在低干度區(qū)域由泡狀流/彈狀流/半環(huán)狀流主導(dǎo)，主導(dǎo)換熱機(jī)理為對(duì)流沸騰和蒸發(fā)，熱交換系數(shù)隨熱流密度顯著增加，隨質(zhì)量流量增大而略有增加。在高干度區(qū)域攪拌流/束狀流主導(dǎo)沸騰流動(dòng)，對(duì)流蒸發(fā)為主導(dǎo)換熱機(jī)理，換熱系數(shù)隨流量增大而增大。該結(jié)構(gòu)可以在低流量下提前紊流轉(zhuǎn)捩；有效抑制壓力波動(dòng)，減小進(jìn)出口壓力差。實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)攪拌流/束狀流型，氣液界面波失穩(wěn)導(dǎo)致液膜破碎和卷攜。液滴沉積會(huì)潤(rùn)濕局部蒸干壁面。當(dāng)熱流持續(xù)增大，液膜破碎并大量被卷攜入氣核后，壁面附著氣膜且無(wú)法被潤(rùn)濕，形成反束狀流型時(shí)，觸發(fā)CHF。

微通道 沸騰換熱 臨界熱流 陣列結(jié)構(gòu) 壓力波動(dòng) 界面波

1 引 言

微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱在國(guó)防，電子散熱和航天領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值，但仍存在一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。例如，微通道兩相流動(dòng)換熱的不穩(wěn)定性，流量分配不均勻性和兩相壓降過(guò)大等。首先，兩相流動(dòng)換熱不穩(wěn)定性是普遍關(guān)注的問(wèn)題，通常表現(xiàn)為微通道進(jìn)出口壓力、質(zhì)量流量和通道壁溫的周期性波動(dòng)。Qu和Mudawar[1]認(rèn)為平行通道壓力降的不穩(wěn)定性，是通道內(nèi)氣泡成核和系統(tǒng)可壓縮容積之間相互作用的結(jié)果，振幅較大。Mukherjee和Kandlikar[2]認(rèn)為兩種因素導(dǎo)致兩相流動(dòng)的返流，一種是彈狀氣泡沿通道長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)口液體入流速度，因而相界面向進(jìn)口移動(dòng)。第二種是彈狀氣泡的高速成長(zhǎng)在上游行成高的壓頭，導(dǎo)致液體返流。第一種可以通過(guò)增加液體流量消除，第二種通過(guò)設(shè)計(jì)進(jìn)口限制減弱。Qu和Ho[3]進(jìn)行了去離子水在橫截面尺寸為200×200 μm2，高度為670 μm的微針肋式通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)。和平行微通道熱沉相比，微針肋式微通道熱沉進(jìn)口壓力的波動(dòng)明顯減弱。盡管兩種通道結(jié)構(gòu)尺寸有差異，試驗(yàn)結(jié)果還是證明微針肋熱沉沸騰流動(dòng)穩(wěn)定性好于平行通道。Krishnamurthy和Peles[4]設(shè)計(jì)了250 μm高，直徑100 μm 微針肋式通道，并考慮了進(jìn)口限制，進(jìn)行了水的流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明進(jìn)口限制避免了流動(dòng)不穩(wěn)定性。

實(shí)驗(yàn)觀察認(rèn)為對(duì)于飽和沸騰環(huán)狀流，有兩種壁面蒸干機(jī)理會(huì)觸發(fā)臨界熱流[5]。第一種蒸干機(jī)理，環(huán)狀流液膜蒸干，氣相接觸壁面，熱交換系數(shù)迅速下降，壁溫迅速升高。此類(lèi)情況通常是在低流量下，干度x=1時(shí)觸發(fā)CHF。另一類(lèi)蒸干機(jī)理是環(huán)狀流氣核內(nèi)氣相剪切力克服表面張力，導(dǎo)致氣液界面波失穩(wěn)，將液膜從壁面移走，觸發(fā)CHF。例如，Zhang 和 Mudawar[6]述了界面波的不穩(wěn)定性導(dǎo)致小通道內(nèi)壁面蒸干以及觸發(fā)CHF。Qu 和 Abel[7]分析了微針肋環(huán)狀流換熱，環(huán)狀流氣核中卷挾了大量液滴，使得壁面蒸干與再潤(rùn)濕交替出現(xiàn)。Revellin[8]實(shí)驗(yàn)觀察到環(huán)狀流氣液界面波動(dòng)失穩(wěn)，導(dǎo)致液膜破裂和壁面局部蒸干，標(biāo)志著CHF的出現(xiàn)。Revellin 和 Thome[5]針對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察分析認(rèn)為，對(duì)于高熱流高流量下的環(huán)狀流，如果界面波波高大于液膜厚度，界面波谷接觸到壁面，會(huì)出現(xiàn)壁面蒸干現(xiàn)象。此時(shí)平均液膜厚度仍然大于0，且出口干度小于1，但是沸騰換熱已經(jīng)達(dá)到CHF。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析微通道陣列內(nèi)R134a的流動(dòng)沸騰換熱特性和流動(dòng)穩(wěn)定性，發(fā)展微通道陣列內(nèi)R134a在低流量下的流動(dòng)沸騰換熱關(guān)聯(lián)式；探討低流量下陣列式微通道紊流的提前轉(zhuǎn)捩與對(duì)流沸騰的關(guān)聯(lián)性；揭示陣列微通道對(duì)流沸騰條件下蒸干型臨界熱流的形成機(jī)理。為微通道熱沉的工程應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

微通道換熱器主要3大部件如圖1所示。主要包括有機(jī)玻璃蓋板， PEEK(聚醚醚酮)微通道換熱板(R134a通道)和POM(聚甲醛)循環(huán)水槽道底座(去離子循環(huán)水流入)。如圖2所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，去離子水循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)主要由恒溫槽，制冷劑提供罐、回收罐、過(guò)濾器、流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、溫控器、電加熱預(yù)熱段、微通道蒸發(fā)器和調(diào)節(jié)閥組成。去離子水循環(huán)系統(tǒng)主要包括恒溫槽、控制閥門(mén)、量筒、秒表及連接管路等設(shè)備。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件、數(shù)據(jù)采集儀和各種傳感器，可直接測(cè)量的參數(shù)包括溫度、壓力和質(zhì)量流量等。

圖1 微通道換熱器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of micro-channel heat sink

圖2 微通道流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Test Setup of micro-channel flow boiling heat transfer

實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行時(shí)，將漏熱控制在較低水平是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)可靠性的關(guān)鍵之一。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明去離子水側(cè)和R134a側(cè)能量基本平衡，兩側(cè)熱量測(cè)量的最大誤差小于5% ，這就達(dá)到了熱平衡的目的。

3 結(jié)果討論

3.1 沸騰流型和沸騰曲線

圖3(a)顯示微通道核沸騰中氣泡的成長(zhǎng)與流動(dòng)，流動(dòng)穩(wěn)定。圖3(b)中,隨著熱流增大，流型由泡狀流/受限彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榘氕h(huán)狀流。由于液橋作用力在氣液相界面穩(wěn)定中起到顯著穩(wěn)定作用，液膜并未受慣性力和氣相剪切力影響而出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)半環(huán)狀流動(dòng)較為穩(wěn)定。圖3(c)中，隨著熱流持續(xù)增大，環(huán)狀流氣核內(nèi)氣相流速明顯增大，此時(shí)氣相剪切力克服表面張力和壁面粘附力，擾動(dòng)氣液相界面，使得液膜波動(dòng)增強(qiáng)，紊流轉(zhuǎn)捩特征明顯。圖中可以看到，部分液膜被氣相卷攜并脫離壁面，然后，由于肋根壁黏附效應(yīng)，卷攜入氣核的液滴再次沉積于肋壁的周?chē)纬梢耗ぃ蚨?，環(huán)狀流轉(zhuǎn)變成束狀流/攪拌流。最后，當(dāng)熱流進(jìn)一步增大后，更多液膜被氣相卷入氣核，壁面出現(xiàn)局部蒸干并且不能再潤(rùn)濕，換熱惡化。

圖3 沸騰流型G=23 kg/m2 s, Tin=13. 5 ℃, Pin,m=683 405 PaFig.3 Flow pattern G=23 kg/m2s, Tin=13. 5 ℃, Pin,m=683 405 Pa

表1顯示了氣核流動(dòng)剪切應(yīng)變率對(duì)加長(zhǎng)氣泡尺寸的影響。氣相剪切應(yīng)變率隨著熱流量的增大而增加，導(dǎo)致氣液相界面受到的剪切力增大。此時(shí)，環(huán)狀氣泡液膜波動(dòng)，氣核頸縮現(xiàn)象出現(xiàn)，頸部斷裂，液滴被卷入氣核。因此，氣液環(huán)狀液膜的波動(dòng)振幅隨著剪切力的增大而增加，界面波失穩(wěn)之后，液膜破碎，氣液摻混，形成攪拌流/束狀流/環(huán)狀流交替流型。表1的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了圖3的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果。

表1 應(yīng)變率對(duì)氣泡尺寸的作用Table 1 Effects of strain rates on bubble sizes

圖4顯示不同進(jìn)口過(guò)冷度下沸騰曲線。在單相區(qū)域，壁面過(guò)余溫度等于壁溫減去流體平均溫度；在兩相流動(dòng)區(qū)域，壁面過(guò)余溫度就等于過(guò)熱度。沸騰曲線斜率在ONB觸發(fā)之后增大。由于單相流動(dòng)平均流體溫度低于飽和溫度，所以O(shè)NB觸發(fā)之后會(huì)出現(xiàn)壁面過(guò)余溫度的降低。高熱流密度區(qū)域由束狀流和攪拌流主導(dǎo)。在束狀流和攪拌流區(qū)域，當(dāng)熱流增大到一定值后，壁面蒸干區(qū)域增多，出現(xiàn)層狀或者團(tuán)狀氣膜附著于壁面，并且氣膜區(qū)域無(wú)法被液滴再潤(rùn)濕，此時(shí)壁溫迅速升高，換熱惡化，標(biāo)志著蒸干型CHF的出現(xiàn)。此時(shí)為典型的反環(huán)狀流和束狀流型，壁面氣膜形成的周期性界面波動(dòng)中，主流區(qū)液滴無(wú)法接觸到壁面，氣液界面波波谷脫離壁面，壁溫迅速升高，觸發(fā)CHF。

圖4 沸騰曲線G=33 kg/m2sFig.4 Boiling curve: G=33 kg/m2s

3.2 沸騰換熱系數(shù)和壓力波動(dòng)

圖5為沸騰換熱系數(shù)隨出口干度的變化關(guān)系。在低干度區(qū)域，對(duì)流沸騰和蒸發(fā)主導(dǎo)換熱，兩相換熱系數(shù)隨干度增加而增大。如圖3a所示，該區(qū)域由泡狀流/彈狀流主導(dǎo)，氣泡成核與成長(zhǎng)主要受熱流控制，略微受質(zhì)量流量影響。在高干度下，熱交換由對(duì)流蒸發(fā)主導(dǎo)，熱交換系數(shù)隨干度變化達(dá)到峰值之后開(kāi)始下降，換熱系數(shù)不依賴(lài)于熱流而適度依賴(lài)于質(zhì)量流量。如圖4c所示，高干度區(qū)域由束狀流/攪拌流主導(dǎo)，液膜被氣相卷攜脫離壁面后在沉積潤(rùn)濕壁面，因而該區(qū)域由對(duì)流蒸發(fā)主導(dǎo)兩相換熱。因此，根據(jù)沸騰換熱特性將陣列式為通道內(nèi)沸騰流動(dòng)分為兩個(gè)區(qū)域：低干度下的對(duì)流沸騰和蒸發(fā)區(qū)域，以及高干度下的對(duì)流蒸發(fā)區(qū)域，如圖5所示。

圖5 換熱系數(shù)隨干度變化趨勢(shì)Fig.5 Distribution shape of heat transfer coefficient versus vapor quality

由圖3—5可以看出，陣列式微通道內(nèi)沸騰流型以環(huán)狀流，束狀流/攪拌流主導(dǎo)，而泡狀流/彈狀流僅占據(jù)較小的低干度區(qū)域。同時(shí)，也可以總結(jié)出壁面蒸干機(jī)理：由于高熱流密度下氣核速度增大，氣液相界面剪切力很大，導(dǎo)致氣液界面波失穩(wěn)，液膜斷裂并部分卷入氣核，壁面蒸干，觸發(fā)CHF。此時(shí)平均液膜厚度仍然大于0，且出口干度小于1。這在文獻(xiàn)[6-8]的實(shí)驗(yàn)中也得到驗(yàn)證。

針對(duì)低質(zhì)量流量下微通道陣列式熱沉，本文針對(duì)兩種區(qū)域提出兩種不同關(guān)聯(lián)式來(lái)預(yù)測(cè)換熱系數(shù)。對(duì)于對(duì)流沸騰和蒸發(fā)區(qū)域，引入Lockhart Martinelli(φL)摩擦因子，Weber數(shù)(We)和Boiling數(shù)(Bl)，考慮熱流、慣性力和表面張力作用。

(1)

其中:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在對(duì)流蒸發(fā)區(qū)域，關(guān)聯(lián)式為：

(7)

(8)

式中：Bl為Weber數(shù)；Dch為當(dāng)量直徑，m；G為質(zhì)量流量，kg/s；Hsp為單相換熱系數(shù)，(W/m2K)；Htp為兩相換熱系數(shù)，(W/m2K)；kf為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m K；Pr為普朗特?cái)?shù)；q為熱流，(W/cm2)；Re為Reynolds數(shù)；We為Boiling數(shù)；xe為出口干度；Xvv為Martinelli參數(shù)；φl(shuí)為 Lockhart-Martinelli摩擦因子；μ為動(dòng)力黏度，kg /ms ；ρ為密度，(kg/m3)；σ為表面張力系數(shù)；v為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

新的關(guān)聯(lián)式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，對(duì)流沸騰和蒸發(fā)區(qū)MAE=0.077，對(duì)流沸騰區(qū)MAE=0.109。

圖6顯示了不同流型下進(jìn)出口壓力的波動(dòng)。圖6(a)顯示彈狀流/半環(huán)狀流區(qū)域，壓力的脈動(dòng)呈現(xiàn)短周期特性。圖6(b)顯示進(jìn)入攪拌流/束狀流區(qū)域，而由于可壓縮容積的增大，壓力脈動(dòng)出現(xiàn)長(zhǎng)周期特性。相對(duì)于平行通道沸騰換熱流動(dòng)，本文中陣列式微通道進(jìn)出口壓降有明顯減小，并且壓力波動(dòng)振幅較低。

圖6 微通道進(jìn)出口壓力波動(dòng)Fig.6 Pressure fluctuations at inlet and outlet of micro-channels

4 小 結(jié)

針對(duì)陣列式微通道熱沉，進(jìn)行了R134a的低質(zhì)量流量沸騰流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。微通道0.5 mm寬，0.15 mm深。肋尺寸1.5 mm寬，0.15 mm深，3.5 mm長(zhǎng)。質(zhì)量流量范圍為10—35 kg/m2s，進(jìn)口過(guò)冷度為1—16 ℃，進(jìn)口壓力為0.39—0.83 MPa。

在低干度區(qū)域由泡狀流/彈狀流/半環(huán)狀流主導(dǎo)，主導(dǎo)換熱機(jī)理為對(duì)流沸騰和蒸發(fā)，熱交換系數(shù)隨熱流密度顯著增加，隨質(zhì)量流量增大而略有增加。進(jìn)口高過(guò)冷度提高了熱交換率。在高干度區(qū)域環(huán)狀流/攪拌流/束狀流主導(dǎo)沸騰流動(dòng)，對(duì)流蒸發(fā)為主導(dǎo)換熱機(jī)理，換熱系數(shù)獨(dú)立于熱流，隨干度增加而下降，并隨流量增大而增大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)環(huán)狀流氣核速度較大時(shí)，氣液相界面剪切力克服張力和壁面粘附力，導(dǎo)致氣液界面波失穩(wěn)，使得壁面液膜破碎成液滴，并被氣相卷挾進(jìn)入氣核，形成環(huán)狀流/束狀流；隨后，氣核內(nèi)的液滴沉積在壁面，可以再次潤(rùn)濕蒸干區(qū)域，因此，對(duì)流蒸發(fā)主導(dǎo)高干度區(qū)域換熱。此外，臨界熱流與氣液界面波的不穩(wěn)定性密切相關(guān)。高熱流密度下氣相高剪切力導(dǎo)致界面波失穩(wěn)后，液膜破碎并大量脫離壁面，當(dāng)壁面局部蒸干增多且無(wú)法被再次潤(rùn)濕時(shí)，壁面附著層狀或者團(tuán)狀氣膜，壁溫迅速升高，預(yù)示蒸干型臨界熱流CHF出現(xiàn)。因此，高熱流下氣液界面波動(dòng)失穩(wěn)，壁面附著氣膜且無(wú)法被潤(rùn)濕，形成反束狀流型時(shí)，觸發(fā)了CHF。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陣列式微通道結(jié)構(gòu)在低流量下可以導(dǎo)致紊流提前轉(zhuǎn)捩，以對(duì)流沸騰和蒸發(fā)主導(dǎo)沸騰換熱機(jī)理；可有效抑制壓力波動(dòng)，減小進(jìn)出口壓力差。

1 Qu W A, Mudawar I. Transport phenomena in two-phase micro-channel heat sinks [J]. Journal of Electronic Packaging,2004,126(2):135-147.

2 Mukherjee A, Kandlikar S G. The effect of inlet constriction on bubble growth during flow boiling in micro-channels [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009,52: 5204-5212.

3 Qu W L, Abel S H. Measurement and prediction of pressure drop in a two-phase micro-pin-fin heat sink [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009,52: 5173-5184.

4 Krishnamurthy S, Peles Y. Flow boiling of water in a circular staggered micro-pin-fin heat sink [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2008,51 (5-6) : 1349-1364.

5 Rémi Revellin, John R Thome. A theoretical model for the prediction of the critical heat flux in heated microchannels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2008,51: 1216-1225.

6 Hui Zhang, Issam Mudawar, Mohammad M Hasan. Experimental assessment of the effects of body force, surface tension force, and inertia on flow boiling CHF[J]. International Journal of Heat Mass Transfer, 2002, 45: 4079-4095.

7 Qu W L, Abel S H. Experimental study of saturated flow boiling heat transfer in an array of staggered micro-pin-fins[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009,52: 1853-1863.

8 Revellin R. Experimental two-phase fluid flow in microchannels[D]. Ecole polytechnique Fédérale de Lausanne, 2005.

《低溫工程》編輯部邀請(qǐng)美國(guó)低溫專(zhuān)家開(kāi)展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)

2016年6月7日，《低溫工程》編輯部特邀國(guó)際著名低溫學(xué)專(zhuān)家、美國(guó)威斯康辛大學(xué)教授、我刊外籍編委約翰 M．弗頓豪威爾(John M. Pfotenhauer)到我刊主辦單位北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所開(kāi)展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。約翰教授為北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所科研人員做了主題為《美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校低溫學(xué)術(shù)研究活動(dòng)》的學(xué)術(shù)報(bào)告，重點(diǎn)介紹了美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校目前正在承擔(dān)及開(kāi)展的制冷、超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、低溫介質(zhì)儲(chǔ)存、低溫醫(yī)學(xué)等學(xué)術(shù)及工程研究項(xiàng)目，以及該校低溫學(xué)術(shù)研究團(tuán)隊(duì)在傳熱學(xué)、熱力學(xué)領(lǐng)域的最新創(chuàng)新研究情況。北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所40多名科研人員到場(chǎng)聆聽(tīng)了學(xué)術(shù)報(bào)告，并就低溫領(lǐng)域?qū)W術(shù)問(wèn)題與約翰教授進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)交流。

北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所常務(wù)副所長(zhǎng)、《低溫工程》主編楊思鋒主持了學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)，并在報(bào)告會(huì)前與約翰教授進(jìn)行了會(huì)談，雙方就今后進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流與合作，以及促進(jìn)《低溫工程》期刊國(guó)際化等工作進(jìn)行了深入探討。

約翰 M．弗頓豪威爾教授為美國(guó)俄勒岡大學(xué)物理系博士，其任職的美國(guó)威斯康星大學(xué)有著超過(guò)150年的歷史，是美國(guó)最頂尖的三所公立大學(xué)之一，也是美國(guó)最頂尖的十所研究型大學(xué)之一。作為國(guó)際著名的超導(dǎo)及低溫應(yīng)用專(zhuān)家，約翰教授在低溫制冷機(jī)的研究和應(yīng)用領(lǐng)域取得過(guò)很多突出成績(jī)，享有較高聲譽(yù)。他現(xiàn)任美國(guó)低溫協(xié)會(huì)委員會(huì)委員、美國(guó)低溫工程大會(huì)理事會(huì)成員、Cryogenics期刊國(guó)際編輯顧問(wèn)委員會(huì)委員、美國(guó)低溫學(xué)會(huì)期刊ColdFacts編委，2016年1月被我刊正式聘任為首位外籍編委。

(文/王克軍，攝/葉莉)

Experimental study of convective boiling characteristics at low mass flow rates in a micro-channel array heat sink

Zhuan Rui1Li Hongbing1Wang Wen2Zhang Liang1

(1Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201108, China)(2Refrigeration and Hypothermia Institute of Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

An array structure was used in micro-channel heat sink design and the boiling flow experiments of R134a were conducted. The test results demonstrat that at low vapor qualities, the flow patterns were bubbly/slug/semi-annular flow, where the boiling flow was dominated by convective boiling and evaporation; the heat transfer coefficients increased significantly with the heat flux and slightly rose with the mass flow rates. At the high vapor qualities, the flow patterns were wispy/churn flow, where the boiling flow was dominated by convective evaporation and the heat transfer coefficients increased with the mass flow rates. This array structure could advance the transition from laminar to turbulent flow, depress the pressure fluctuations and decrease the pressure drop. In churn/wispy flow, the instability of vapor-liquid interfacial wave caused the liquid film breakup and entrainment; the liquid drops deposit at the wall could rewet the dry-out region. When the heat flux increased enough, a lot of breakup liquid film was entrained into the vapor core, the vapor blankets covered the wall and the dry-out region could not be rewetted; therefore the reverse wispy flow appeared, which initiated the CHF.

micro-channel; boiling heat transfer; critical heat flux; array structure; pressure fluctuation; interfacial wave

2016-03-24；

2016-06-06

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金的資助(資助號(hào)：51206110)。

耑 銳，女，44歲，博士，高級(jí)工程師。

TB66

A

1000-6516(2016)03-0035-06