羅新奎，汪洋，王小軍，楊祺，張文瑞

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

微細通道氣液兩相流動換熱研究進展

羅新奎，汪洋，王小軍，楊祺，張文瑞

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

隨著微電子系統(tǒng)、航空、航天及軍工領(lǐng)域儀器設(shè)備的高度集成化，高熱流密度下的高效散熱成為了亟待解決的問題。微細通道沸騰換熱裝置以體積小、重量輕、散熱量大等特點，引起了越來越廣泛的關(guān)注。然而，對于微細通道內(nèi)傳熱傳質(zhì)的機理待深入研究。介紹了微細通道內(nèi)氣液兩相流流動與換熱的最新研究進展，從兩相流流型、制冷劑及通道截面形狀的影響等方面進行梳理與歸納，提出未來發(fā)展重點。

微細通道；氣液兩相流；沸騰換熱

0　引言

自20世紀末以來，隨著微納機電系統(tǒng)（NMES）的快速發(fā)展，開展了微尺度流動與傳熱的深入研究，形成了微米-納米傳熱學(xué)研究新方向[1]。近年來，隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)、制造、工藝水平的不斷提高以及各行業(yè)工程應(yīng)用的實際需求（尤其是微電子機械系統(tǒng)的冷卻問題），推動了微尺度科學(xué)的研究，特別是細微空間尺度流動及傳熱性能的研究，引起了有關(guān)技術(shù)人員的高度重視。

在航空、航天與軍工領(lǐng)域，大多數(shù)儀器設(shè)備都是高度集成，其在有限空間內(nèi)工作時的熱流密度非常高[2]。如某型號飛航導(dǎo)彈在飛行過程中彈頭紅外窗口的熱流密度能達到60 W/cm2，飛行器再入大氣層時的熱流密度大約為100 W/cm2，飛船再入大氣時由氣動熱產(chǎn)生的熱流密度介于102～103W/cm2之間，火箭噴管喉部的熱流密度可高達500 W/cm2。在如此高的熱流密度下，要在有限的空間內(nèi)對各種儀器進行冷卻，并實現(xiàn)對溫度的精確控制，傳統(tǒng)的制冷與溫控方法顯得力不從心[3]。理論研究的深入與現(xiàn)實的需求使得微細通道沸騰換熱技術(shù)應(yīng)用而生，將大尺度沸騰換熱的理論成果與微細通道的特性有機結(jié)合起來，成為一種新型的高效換熱方式。重點對微細通道內(nèi)氣液兩相流動型與換熱特性進行了分析，以及不同制冷劑的研究和截面形狀對微細通道沸騰換熱的影響。

1　微細通道內(nèi)氣液兩相流動型與換熱的特性

由于微細通道沸騰換熱本身所具有的特殊性、復(fù)雜性，對于機理研究一直是眾多學(xué)者關(guān)注的焦點，但至今尚未達成共識。

Kandlikar等[4-5]認為主導(dǎo)微通道內(nèi)兩相流流動與傳熱特性，是蒸發(fā)過程中的表面張力與動量變化，以及黏性剪切力和慣性力，無論對于單相流還是兩相流，隨著微通道水力直徑的減小，由摩擦引起的壓降都將增大。微通道的水力直徑較小，其對應(yīng)的雷諾數(shù)（Re）也較小，介于100～1 000之間（對于更小的水力直徑，Re可能更小），這是微通道內(nèi)流動與常規(guī)尺度通道內(nèi)流動明顯的區(qū)別。核態(tài)沸騰成為微通道內(nèi)主要的傳熱模式，高壁面溫度是起始成核的必要條件，但同時會導(dǎo)致通道內(nèi)液體快速蒸發(fā)，引起流動的不穩(wěn)定性，并常常伴有返流現(xiàn)象。起始沸騰的熱流密度隨著微通道水力直徑的減小而增大，核態(tài)沸騰開始后，壁面高熱流立即向通道內(nèi)的氣泡傳遞熱量，使之快速長大并充滿整個通道界面。此外，在大量實驗的基礎(chǔ)上，提出了兩個新的無量綱參數(shù)K1、K2，如式（1）。

式中：q為熱流密度；hfg為蒸發(fā)潛熱；D為水力直徑；ρL、ρG為液相密度；σ為表面張力。Kandlikar認為，K2K10.75對臨界熱流密度（CHF）的預(yù)測更準確。

王國棟等[7]在8根直徑為186 μm的梯形硅微通道入口處添加了三角形通道作為限制裝置，三角形的截面面積約為梯形的20%。利用入口三角形通道有效的抑制了通道間的互相作用和上游的可壓縮性，獲得了穩(wěn)定的流型。結(jié)果表明，維持熱流不變，隨著質(zhì)量流率的減小，進出口壓降先減小后增大；高質(zhì)量流率時，通道內(nèi)的流動可以看作單相流，當(dāng)質(zhì)量流率減小到某一值時，開始出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。截面含氣率xe=0將通道內(nèi)的流動分為過冷區(qū)和飽和區(qū)，如圖1所示。在過冷區(qū)換熱系數(shù)隨含氣率的增大而增大；在飽和區(qū)換熱系數(shù)隨含氣率的增大而減小；當(dāng)含氣率為0時，換熱系數(shù)隨著熱流密度的增大而增大；在高截面含氣率（xe＞0.2）的區(qū)域，換熱系數(shù)與熱流密度無關(guān)，只取決于xe，可能是由于通道內(nèi)出現(xiàn)了局部干涸現(xiàn)象。

Mahmoud等[6]通過實驗獲得了R245fa在微細通道內(nèi)的流型。采用直徑為1.1 mm的圓形銅管，質(zhì)量流率100～400 kg/（m2·s），熱流密度3～25 kW/m2。結(jié)果表明，通道內(nèi)流型隨熱流密度的變化而明顯變化，熱流密度較小時，可以觀察到四種典型流型，分別為泡狀流、塞狀流、擾動流和環(huán)狀流，增大熱流密度時，只有環(huán)狀流最明顯，目前尚無一種模型能夠準確描述所有流型間的轉(zhuǎn)化過程。

圖1　換熱系數(shù)與截面含氣率的關(guān)系曲線圖

馬虎根等[8]對非共沸混合工質(zhì)在石英玻璃微通道內(nèi)的沸騰換熱進行了可視化實驗。結(jié)果表明，在質(zhì)量流速很低（＜2 m/s）時，管內(nèi)的流型從開始的彈狀流逐漸發(fā)展為環(huán)狀流，流速稍微增大后，流型很快轉(zhuǎn)變?yōu)闅鉅?霧狀/環(huán)狀等形態(tài)，且很不穩(wěn)定，一般為幾種流型同時存在；在高質(zhì)量流率、低干度時，觀察到管內(nèi)流型為氣狀流、液狀流交替出現(xiàn)的狀態(tài)；在低干度時，出現(xiàn)液霧狀流的時間比出現(xiàn)氣狀流的時間長；逐漸增大進口干度，同時降低質(zhì)量流率，發(fā)現(xiàn)霧狀和氣狀流的界線變得模糊，二者混合向前推移，此時壓力很不穩(wěn)定；對同一質(zhì)量流率下不同干度的研究發(fā)現(xiàn)，隨著進口干度的增大，通道內(nèi)間隔流動的頻率加快。

劉國華等[9]通過實驗觀察到丙酮在寬800 μm、深30 μm、長5 000 μm硅微通道內(nèi)的周期性射流特性。采用低質(zhì)量流速28～100 kg/（m2·s）及高熱流密度295～690 kW/m2。對高、中、低三種沸騰數(shù)（Bo）下的流動特性進行實驗，觀測到三種典型的流型，且都具有毫秒級周期性射流的特點，每個周期內(nèi)均出現(xiàn)了兩相流、混沌、推進與流型收縮四個階段。結(jié)果表明，Bo數(shù)較高的工況下，其周期長度分布的均勻性較差，周期內(nèi)流動狀態(tài)變化不規(guī)律，Bo數(shù)較低的工況下，其周期分布比較均勻，且周期長度相對較短，大致介于10～20 ms的范圍內(nèi)。從而可以得出結(jié)論：Bo數(shù)越高，周期性射流的不均勻性越明顯。

圖2　三種典型流型圖

2　不同制冷劑

近年來，對于不同制冷劑在微細通道內(nèi)沸騰換熱特性的研究十分關(guān)注，尤其對復(fù)配制冷劑的研究更為突出。這有助于發(fā)現(xiàn)適用性更廣泛的制冷工質(zhì)；同時也為這一領(lǐng)域的發(fā)展提供了大量有價值的參考資料。

Madhour等[10]研制了一種用于CPU冷卻的微通道制冷裝置，結(jié)構(gòu)尺寸（W×H）為：100 μm×680 μm，長15 mm。工質(zhì)為R134a，質(zhì)量流率205～1 000 kg/（m2·s），熱流密度1.57～189 W/cm2。結(jié)果表明，微通道內(nèi)的流型為氣液兩相流，沸騰換熱使通道沿程具有很好的溫度均勻性；熱流密度達到188 W/cm2時，最大溫度梯度為1.3℃/mm；換熱系數(shù)隨著熱流密度的增大而增大，與質(zhì)量流率無關(guān)，最大值為27 000 W/m2。在無進口過冷度，質(zhì)量流率為1 000 kg/（m2·s）時，能將芯片溫度控制在85℃以內(nèi)。

圖3　不同質(zhì)量流率下?lián)Q熱系數(shù)的變化曲線圖

Dong等[11]對R141b的沸騰換熱特性進行實驗。采用50根長為100 mm的矩形平行微通道，結(jié)構(gòu)尺寸為（W×H）：60 μm×200 μm。質(zhì)量流率400～980 kg/（m2·s），熱流密度40～700 kW/m2。結(jié)果表明，平均傳熱系數(shù)受質(zhì)量流率及熱流密度出口含氣率的影響很大，出口含氣率為0.1時換熱系數(shù)最大；通道內(nèi)壓降隨著質(zhì)量流率與熱流密度的增大而增大。

Kuznetsov等[12]獲得了R21在不銹鋼微細通道內(nèi)換熱系數(shù)的變化規(guī)律。實驗段由深640 μm、寬2 050 μm、長120 mm的10根平行微細通道組成。質(zhì)量流率68～172 kg/m2·s，熱流密度16～152 W/cm2，截面含氣率0～1。結(jié)果表明，最大傳熱系數(shù)出現(xiàn)在通道進口處；在高熱流密度下，換熱系數(shù)h沿程快速減小，低熱流密度下，h沿程變化不大。超過臨界熱流密度（CHF）后，h不再增大，反而隨截面含氣率的增大而減小。

Abadi等[13]對R134a和R245fa按1∶1混合后在細通道內(nèi)換熱系數(shù)的變化進行實驗。通道直徑3 mm，質(zhì)量流率300～800 kg/（m2·s），熱流密度1～69 kW/m2。結(jié)果表明，混合制冷劑質(zhì)量流率對換熱系數(shù)的影響較熱流密度對換熱系數(shù)的影響更大；混合制冷劑傳熱系數(shù)與流動特性無關(guān)；由于傳質(zhì)阻力增大，混合制冷劑的傳熱系數(shù)較單一制冷劑有所下降。

Hugo等[14]測定了R407C在微通道內(nèi)的換熱系數(shù)。實驗采用0.1 mm×0.5 mm的矩形微通道，質(zhì)量流率400～1 500 kg/（m2·s），熱流密度310 kW/m2。結(jié)果表明，傳熱系數(shù)可達30 kW/（m2·℃）；含氣率一定時，平均換熱系數(shù)隨著質(zhì)量流率的增大而增大。

葛琪林等[15]對R410A在水平不銹鋼微細通道內(nèi)的沸騰換熱進行了實驗。通道內(nèi)徑2 mm，質(zhì)量流率200～600 kg/（m2·s），熱流密度5～15 kW/m2，干度0.1～0.8，飽和溫度0℃與5℃。結(jié)果表明，當(dāng)干度小于0.5時，換熱系數(shù)隨質(zhì)量流率及飽和溫度的變化很小，當(dāng)干度大于0.5時，換熱系數(shù)隨質(zhì)量流率及熱流密度的增加均呈增大趨勢；換熱系數(shù)隨著飽和溫度的升高略有增大，但增幅較小；換熱系數(shù)隨著通道內(nèi)徑的變小而增大，進一步證實了微細通道結(jié)構(gòu)有利于沸騰換熱。

3　截面形狀的影響

不同截面形狀對微細通道內(nèi)的流動與換熱狀態(tài)影響較大，有學(xué)者相繼提出了眾多具有代表性的結(jié)構(gòu)，各具有一定的優(yōu)缺點。結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計也成為微細通道沸騰換熱研究的一個重要方面。

Markal等[16]觀測了去離子水在矩形微通道內(nèi)的流動。實驗采用29根水力直徑為150 μm的平行微通道，質(zhì)量流率分別為51、64.5、78、92.6 kg/（m2·s），熱流密度59.3～86.1 kW/m2。結(jié)果表明，主要流型為泡狀流和環(huán)狀流，但隨著熱流與質(zhì)量流率的變化以及通道間的互相影響，擾動流和霧狀流也會出現(xiàn)；局部換熱系數(shù)隨著熱流密度和質(zhì)量含氣率的增大而減小，隨著質(zhì)量流率的增大而增大；管內(nèi)總壓降隨著熱流密度的增大而增大，隨著質(zhì)量流率的增大而減小。

Yogesh等[17]探討了去離子水在三種不同結(jié)構(gòu)微細通道內(nèi)的流型。選取了橫截面一致的光管、橫截面不同的光管及管內(nèi)壁分段加肋片三種類型的矩形通道。質(zhì)量流率400～3 300 kg/（m2·s），熱流密度20～150 kW/m2。結(jié)果表明，分段加肋的通道換熱系數(shù)比另外兩種通道顯著提高，橫截面不同的光管換熱系數(shù)較橫截面一致的光管更高；在高熱流密度下，橫截面一致的光管內(nèi)蒸氣阻塞和返流現(xiàn)象較其他兩種管型更明顯。

楊朝初等[18]對不同水力直徑的正方形與三角形微細通道內(nèi)R113的流動情況進行了實驗。通道直徑1～6 mm，質(zhì)量流率400～3300 kg/（m2·s），熱流密度20～150 kW/m2，進口干度為0～0.1。結(jié)果表明，相同實驗參數(shù)下，正方形、三角形等非圓界面通道比相近水力直徑的圓形界面通道具有更好的換熱效果；在低質(zhì)量流速、高出口干度條件下，壁面溫度沿程逐漸降低；平均換熱系數(shù)隨著干度的增大先增大后減小，極大值出現(xiàn)在干度為0.7左右。

張小艷等[19]通過實驗對R417A在水平光滑管和內(nèi)螺紋管內(nèi)的沸騰換熱作了對比。結(jié)果表明，保持熱流密度不變，換熱系數(shù)都隨質(zhì)量流率的增大而增大，且隨著質(zhì)量流率的增大，換熱系數(shù)出現(xiàn)最大值時對應(yīng)的干度越??；干度較小時，熱流密度對換熱系數(shù)的影響不大；在光滑管內(nèi)，換熱系數(shù)最大值對應(yīng)的干度為0.5～0.8；隨著熱流密度和質(zhì)量流率的減小，內(nèi)螺紋管內(nèi)換熱系數(shù)出現(xiàn)最大值時對應(yīng)的干度有所增大，如圖4所示。

圖4　不同質(zhì)量流速時光滑管內(nèi)換熱系數(shù)隨干度的變化

Han等[20]討論了V型截面對沸騰換熱的影響。通道長1 000 μm，V型界面的兩邊均為50 μm。進口質(zhì)量流速為3 m/s，進口溫度為298 K，熱流密度為500 W/cm2。結(jié)果表明，V型通道具有低熱阻、低質(zhì)量流率、體積小和高效率等明顯優(yōu)勢；進出口溫差和壁面熱阻都隨質(zhì)量流率的增大而減??；保持質(zhì)量流速不變，體積流率隨著入口面積成比例增大，但同時熱阻也增大，這將導(dǎo)致進出口溫差減小，即冷卻效果變差。

圖5　不同質(zhì)量流速內(nèi)螺紋管換熱系數(shù)隨干度的變化

4　總結(jié)與展望

微細通道沸騰換熱技術(shù)以明顯的優(yōu)勢引起了越來越廣泛的關(guān)注，尤其在航空、航天與軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊的前景。通過對這一領(lǐng)域最新進展的梳理與歸納，預(yù)測今后微細通道沸騰換熱的研究熱點與發(fā)展趨勢有三個方面。

（1）進一步探究微細通道流動與沸騰換熱的機理，嘗試從理論上突破微細通道內(nèi)流動與換熱的規(guī)律[21]。由于微細通道結(jié)構(gòu)本身所具有的特殊性，無法對其中的流動與傳熱形式進行直觀的觀察與分析，只能通過測量相關(guān)參數(shù)來推測其流動與換熱特性，或借助高速相機使其可視。目前尚無一種普適的數(shù)學(xué)描述能解釋微細通道內(nèi)復(fù)雜的沸騰傳熱、傳質(zhì)過程，無論實驗還是數(shù)值模擬所得經(jīng)驗公式往往只適用于特定的研究對象，但對其深層機理的解釋眾說紛紜，有些方面甚至出現(xiàn)了相反的結(jié)論。因此，今后應(yīng)該進一步明確微細通道內(nèi)沸騰現(xiàn)象與常規(guī)尺度下的區(qū)別，通過實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對影響微細通道內(nèi)流動與換熱的因素進行系統(tǒng)分析，嘗試建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，對各種因素間的相互關(guān)系進行深入探討，在此基礎(chǔ)上建立描述微細通道內(nèi)流動沸騰的公式；

（2）不同制冷劑在微細通道內(nèi)的沸騰換熱特性的歸納比較。由于目前氟利昂類制冷劑面臨逐步被替代的問題，尋找新型制冷劑十分必要。以往研究較多的是單一的常用制冷劑，隨著理論研究的深入和實際應(yīng)用的需要，近年來復(fù)配制冷劑引起了許多學(xué)者的重視，復(fù)配制冷劑較單一制冷劑具有更好的制冷效果。今后復(fù)配冷劑將是這一領(lǐng)域研究的熱點之一。這有助于發(fā)現(xiàn)性能更優(yōu)良的替代制冷劑；同時也可以積累相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，嘗試建立適用性更廣泛的關(guān)聯(lián)式，推動微細通道換熱機理的研究；

（3）微細通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。不同截面形狀對微細通道內(nèi)的沸騰換熱的影響較大，如三角形與矩形截面的微細通道比相同水力直徑下的圓形通道具有更好的換熱效果，采用內(nèi)螺紋管或在管內(nèi)壁加肋片較常規(guī)光管換熱性能進一步提高。因此，可以借助先進的加工制造手段，探討更多不規(guī)則結(jié)構(gòu)微細通道內(nèi)的流動沸騰特性，分析不同結(jié)構(gòu)下微細通道流動沸騰的特點，同時比較不同管排方式的優(yōu)缺點，為今后實際應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

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REVIEW ON STUDY OF GAS-LIQUID PHASE BOILING HEAT TRANSFER IN MICRO/MINI-CHANNELS

LUO Xin-kui，WANG Yang，WANG Xiao-jun，YANG Qi，ZHANG Wen-rui
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

As the instruments and equipments of microelectronic systems，aerospace and military field highly integrated，it is significant to solve the problem of disserting heat efficiently under high heat flux.Micro/mini-channel boiling heat transfer device with its characteristics such as small volume，light weight，large heat release has been paid more and more attention.However，the mechanism of heat and mass transfer in micro/mini-channels has not been thoroughly studied.This paper introduces the latest progress of the two phase flow in micro/mini-channels.We reviewed and analyzed the two phase flow models，refrigerants and the impact of channel configurations.

micro/mini-channels；gas-liquid two phrase；boiling heat transfer

TB657.5

A

1006-7086（2016）05-0249-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.001

2016-06-15

羅新奎（1990-），男，甘肅武威人，碩士研究生，從事低溫工程及空間制冷技術(shù)研究。E-mail：853601824@qq.com。