胡艷鑫，黃凱鑫，陳思旭，汪雙鳳，黃金

自濕潤流體的流動與傳熱特性研究進展

胡艷鑫1，黃凱鑫1，陳思旭1，汪雙鳳2，黃金1

（1廣東工業(yè)大學材料與能源學院，廣東廣州 510640；2華南理工大學化學與化工學院，廣東廣州 510640）

自濕潤流體是指某些具有自發(fā)潤濕高溫端特性的非共沸的混合溶液。這類溶液各組分的沸點不同，易揮發(fā)的組分優(yōu)先發(fā)生沸騰，優(yōu)先沸騰的組分在氣液界面引起組分濃度梯度，再由組分的濃度梯度引起表面張力梯度；同時在氣液界面產(chǎn)生溫度梯度即熱毛細作用也引起了表面張力梯度。由于受到雙重表面張力梯度的影響，該溶液高溫區(qū)域與低溫區(qū)域之間產(chǎn)生了一股較大的推動力，從而使液體自發(fā)地向高溫區(qū)域流動，濕潤燒干部位，增強了沸騰傳熱。本文對自濕潤流體流動與傳熱特性的相關研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)進行綜述，首先詳細介紹了單組分流體以及多組分流體強化傳熱的機理，并進一步介紹了自濕潤流體的傳熱機理。然后對自濕潤流體的制備以及自濕潤流體的流動與傳熱特性等進行描述。最后綜述了自濕潤流體在無毛細芯結構、不同傾斜角下、微重力條件下以及其他類型的熱管中的應用。

自濕潤流體；傳熱機理；Marangoni作用；表面張力；可視化研究

近年來，科學技術在電子工業(yè)方面的迅猛發(fā)展，使微電子技術在信息技術中扮演著越來越重要的角色，在各個方面都得到了廣泛的應用。但電子設備的發(fā)熱量隨著高速、高頻化而逐漸增加。同時，小型化部件越來越多地使用大規(guī)模集成電路而愈發(fā)趨向于高密度裝配，集成化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。單位容積的發(fā)熱量逐年增大，電子元件在這種惡劣的工況環(huán)境下，其功能和使用壽命將收到嚴重影響。特別是芯片特征尺寸在四十年間縮小了140倍，工作速度提高了1.5倍，工藝線寬縮小了大約30%[1-2]。這些都對電子元件的工作溫度條件提出了越來越高的要求。電子元件隨工作溫度升高故障發(fā)生率增長越來越快。當溫度每升高10℃時，半導體元件的系統(tǒng)可靠性將降低50%。據(jù)統(tǒng)計，由溫度過高引起的電子設備失效超過了55％[3]。因此，電子器件的散熱以及溫度分布均勻性等問題就顯得尤為重要[4]。傳統(tǒng)散熱技術的散熱能力已趨于極限，而且溫度控制的精確度較低，響應時間較長，已經(jīng)無法滿足高性能微電子芯片的散熱冷卻與溫度控制要求[5]。而熱管因為可以滿足電子電器設備對散熱裝置緊湊、可靠、控制靈活、高散熱效率、不需要維修等要求，目前已被廣泛應用在電氣設備散熱、電子器件冷卻、半導體元件以及大規(guī)模集成電路板的散熱方面。

工質在一般情況下，能滿足熱管的應用需求。但在某些特定工況條件下，如微重力條件下、放置位置水平以及無毛細結構時，由于驅動力不足導致工質不能及時流回加熱段，熱管內部出現(xiàn)局部燒干現(xiàn)象，從而大大削弱熱管的傳熱性能，影響其性能和使用壽命。近年來不少學者研究了不同種類地熱管工質，如微膠囊流體、納米流體以及多元混合工質等。其中自濕潤流體因為具有當溫度達到一定值之后表面張力隨溫度的升而增大的不同尋常地特性，從而產(chǎn)生推動力促使液體工質自發(fā)從低溫區(qū)域回流潤濕高溫區(qū)域，增強了沸騰傳熱。作為沸騰傳熱的理想工質，自濕潤流體成為了研究重點。

大多數(shù)流體中的表面張力隨溫度的升高而逐漸下降，然而某些特定的流體（如熔融狀態(tài)下的SiO2、GeO2、B2O3[6]）卻呈現(xiàn)出相反的特性。這些流體的表面張力開始先隨溫度升高而下降，當溫度升溫到某一特定值時，將隨溫度上升而增大[7]。高碳鏈醇水溶液正是由于其不同尋常的表面張力隨溫度的變化特性而成為研究熱點。ZHANG和CHAO[8]發(fā)現(xiàn)當高碳醇水溶液的溫度超過某一特定值時，其表面張力隨溫度升高而增大。這種不尋常的特性會產(chǎn)生一種促進氣泡分離的推動力，從而增強沸騰傳熱。在微重力條件下，擁有這種特性的溶液能作為沸騰傳熱的高效理想工質，從而引起了關注。ABE等[9]在研究某類高碳稀醇水溶液的傳熱特性時提出了自濕潤流體的概念。這類高碳稀醇水溶液由于各組分擁有不同的沸點，易揮發(fā)的組分率先沸騰，從而在氣液界面處引起了組分濃度梯度，再由此引起表面張力梯度；同時在氣液界面產(chǎn)生溫度梯度，引起熱毛細作用產(chǎn)生表面張力梯度。因此在雙重表面張力梯度的影響下，一股較大的推動力存在于溶液高溫區(qū)域與低溫區(qū)域之間，使液體由低溫區(qū)域自發(fā)地流向高溫區(qū)域，濕潤燒干部位，增強沸騰傳熱。由前面所述的自濕潤流體的特性，當其作為工質時能顯著增加沸騰時的燒干極限，提高熱輸送性能。由此可突破傳統(tǒng)工質在某些情況不能正常工作的瓶頸，如在微重力情況或是在工質回流能力不足的情況等。

目前關于自濕潤流體傳熱機理的研究大多數(shù)還屬于摸索階段，研究主要集中在對自濕潤流體強化傳熱宏觀現(xiàn)象的探究分析。然而自濕潤流體的傳熱特性的傳熱機理受到的影響不可謂不復雜，因此在微觀層面上對其流動現(xiàn)象與傳熱機理進行進一步的深入研究意義重大，從而為將其應用在更廣的散熱領域鋪平了理論基礎的道路，使其傳熱優(yōu)勢得到淋漓盡致的發(fā)揮。對此，本文將對自濕潤流體強化傳熱特性的相關研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)進行綜述，為了讓大家對自濕潤流體有所認識，詳細介紹了對自濕潤流體傳熱機理的研究。并進一步介紹了自濕潤流體的制備以及流動與傳熱特性等，最后介紹了自濕潤流體作為工質在熱管中的應用。

1 自濕潤流體沸騰傳熱機理

通過實驗研究，可以發(fā)現(xiàn)自濕潤流體作為一種新型的強化傳熱工質，具有很大的潛力。只有進一步深入研究了自濕潤流體的微觀傳熱機理，才能更深刻地明白其增強傳熱效果的原因，從而更好地了解和使用自濕潤流體工質。因此下面將對單組分溶液、多組分溶液以及自濕潤流體的傳熱機理進行分析比較。

1.1 單組分流體

單組分流體中絕大部分的液體表面張力隨溫度梯度的變化逐漸減小，由于溫度越高表面張力越小的特性產(chǎn)生了溫度梯度，引起熱毛細作用力驅使液體從高溫端流向低溫端。如圖1所示。許多實驗研究指出，由于溫度梯度的影響，在氣液界面處會引起熱毛細作用[10-13]。

圖1 單組分流體傳熱機理圖

KIM[14]通過探究池沸騰傳熱性能的實驗發(fā)現(xiàn)，在氣泡從產(chǎn)生到變大的過程中，其中膨脹變化會產(chǎn)生一股推動力。在氣泡脫離后，這種推動力能驅使周圍的液體并大大增加周邊液體的擾動程度從而強化傳熱。并且所受到的浮力隨氣泡增大而增大，當超過某一特定值時，氣泡開始往上移動。由于部分燒干，受熱面液膜開始出現(xiàn)燒干點，燒干點由于自濕潤流體特性會被周邊液體再次潤濕，并促使氣泡脫離。在氣泡脫離后，周邊液體再次繼續(xù)補充到加熱面進行換熱。

對于單組分流體，流體受熱沸騰時的傳熱機理可總結為以下特點：

（1）熱毛細力三相界面處推動液體從高溫往低溫流動；

（2）加熱表面的熱毛細力的作用約束了氣泡的及時脫離；

（3）在加熱面與氣泡接觸的三相界面處，不斷有液體補充。

因此由上面的機理分析可知，熱毛細力作用在單組分流體沸騰時會惡化其傳熱性能。因此如果能夠使熱毛細力的作用力方向與單組分流體沸騰時相反，則將大大強化其沸騰換熱效果。

1.2 多組分流體

一些普遍共同的沸騰機理依然適用于多組分流體的研究。但與單組分流體對比，非共沸的混合溶液的沸騰傳熱機理具有本質上的不同點。在氣液交界處，因為濃度梯度而產(chǎn)生的Marangoni流動在傳熱中占有不容忽視甚至是很重要的地位[15-18]。如圖2所示，以多碳醇溶液為例，水是表面張力更大且不易揮發(fā)的組分。當受熱時，液膜越薄的地方升溫越快，位置1處具有更高的溫度。而位置1處具有表面張力更小且更易揮發(fā)的多碳醇組分，因此位置1處的組分優(yōu)先揮發(fā)，使得位置1處與位置2處產(chǎn)生濃度梯度，推動溶液從位置2處往位置1處流動，即使溶液從低溫處往高溫處流動，因此減緩了燒干現(xiàn)象從而強化了傳熱。

圖2 多組分流體傳熱機理圖

近年來，已有不少關于多組分溶液的沸騰研究。OKA等[19]通過透明加熱塊對乙醇水溶液進行沸騰特性的可視化研究，并觀察氣泡與加熱塊接觸邊沿的現(xiàn)象。由觀察可知，當加熱混合水溶液時，加熱塊與氣泡之間的液膜厚度與加熱單組分溶液時相比更厚。氣泡周圍的液體向加熱塊與氣泡的接觸面流動，由此推動氣泡脫離加熱面。

KURAMAE和SUZUKI[20]將乙醇水溶液注入部分透明管進行加熱，觀察到有液體沿著管內壁自發(fā)從冷凝段向加熱段回流。他們指出，由于非共沸的乙醇水溶液優(yōu)先揮發(fā)，導致加熱段濃度更稀，因此在兩端產(chǎn)生濃度梯度引起Maragoni作用，推動了液體自發(fā)回流至加熱段。

從以上研究可知，多組分流體由于其非共沸混合溶液的沸騰傳熱機理與單組分流體不同，從而產(chǎn)生了濃度梯度，并由濃度梯度產(chǎn)生的熱毛細作用促使溶液從低溫區(qū)域回流至高溫區(qū)域，有效延緩了燒干現(xiàn)象的發(fā)生，強化了傳熱。

1.3 自濕潤流體

表面張力隨溫度變化的不同于一般工質的特性使自濕潤流體擁有能自發(fā)潤濕高溫區(qū)域的特點，因此在傳熱中起到了重要的作用。其實早在一個世紀前，大眾已經(jīng)普遍認識了熱毛細對流現(xiàn)象，但由于當時重力作用下的浮力引起流動的學說占據(jù)著主導的地位，因而并沒有太多學者展開對表面張力的細致深入研究。TREFERHEN[21]與MCGREW[22]等分別在1961年與1966年指出，表面張力在對流換熱中起著重要的作用。由此引起人們對表面張力的進一步關注。自濕潤流體由于表面張力隨溫度的增加呈上升趨勢的的特性，與傳統(tǒng)工質相比多了一股增強液體工質往熱端回流的推動力，強化了傳熱。因此對自濕潤流體表面張力的研究是有意義也是很有必要的。VOCHTEN和PETER[23]通過測量高碳醇水溶液在不同溫度下的表面張力，發(fā)現(xiàn)高碳鏈稀醇水溶液的表面張力在某一特定溫度下會有一個最小值，超過這個特定值后，表面張力的值隨溫度的升高而增大。為了更好地認識表面張力隨溫度變化的特性，如圖3所示，HU等[24]對不同濃度的庚醇水溶液的表面張力進行了測量，發(fā)現(xiàn)隨溫度增加，表面張力是非線性變化。在溫度達到一個特定值之后，表面張力隨溫度增加而增加。這種非線性的特點使得溶液能自發(fā)潤濕高溫區(qū)域，從而有效阻止了燒干現(xiàn)象增強傳熱。

圖3 不同溫度下庚醇水溶液的表面張力圖[24]

由于非共沸溶液產(chǎn)生的濃度梯度強化了自濕潤流體的傳熱，同時又由溫度梯度產(chǎn)生的熱毛細力作用，驅使液體從低溫區(qū)域回流到高溫區(qū)域，這樣自濕潤流體通過雙重的熱毛細力作用強化了換熱。如圖4所示，對自濕潤流體進行加熱時，由于稀醇水溶液各組分擁有不同的沸點，易揮發(fā)的組分率先發(fā)生沸騰，在氣液界面處率先沸騰的組分引起了組分濃度梯度變化。自濕潤流體在低濃度時有著更大的表面張力，由于位置2處的溶液濃度高于位置1，因此溶液自發(fā)地從低溫區(qū)域往高溫區(qū)域流動；氣液界面處產(chǎn)生的溫度梯度也產(chǎn)生了表面張力梯度，位置1處隨溫度增高，其表面張力更大，從而也使液體自發(fā)地從低溫區(qū)域流向高溫區(qū)域。該溶液在雙重表面張力梯度的影響下，低溫區(qū)域與高溫區(qū)域之間產(chǎn)生了一股較大的驅動力，使液體自發(fā)地回流到高溫區(qū)域，濕潤燒干部分，增強了沸騰傳熱。

圖4 自濕潤流體傳熱機理圖

對于自濕潤流體的研究，ABE[25]利用示蹤粒子對質量分數(shù)為1.5%的丁醇水溶液與20%的乙醇水溶液受熱后的流動現(xiàn)象進行了觀察。觀察結果表明，受熱后丁醇水溶液與乙醇水溶液都產(chǎn)生了使液體從冷端往熱端流動的推動力，但丁醇水溶液所產(chǎn)生的流體流動速度達到了15mm/s，而乙醇水溶液的流動速度只有0.7mm/s，因此前者的流動速度是后者的20倍以上。由此可知，與一般的混合溶液相比，自濕潤流體能夠產(chǎn)生更強烈的流動流向氣泡成核點，有效延緩了燒干，強化傳熱。

CECERE等[26]運用用CCD攝影儀記錄了質量分數(shù)為0.2%的庚醇水溶液、5%的丁醇水溶液、乙醇水溶液和水里的示蹤粒子的流動軌跡。觀察結果表明，單組分液體（乙醇和水）的示蹤粒子在加熱時流向冷端，而自濕潤流體（0.2%的庚醇水溶液和5%的丁醇水溶液）的示蹤粒子在加熱時流向熱端。自濕潤流體與一般流體截然相反的流向使得液體能自發(fā)潤濕熱端，從而強化傳熱。

由于具有不同尋常的表面張力特性，使得自濕潤流體擁有一般流體不具備的優(yōu)勢，從而能在雙重表面張力梯度的影響下比較明顯地強化傳熱。因此在傳熱領域，對自濕潤流體的研究具有重要的意義。

2 自濕潤流體的制備

制備自濕潤流體是研究自濕潤流體之前的第一步，同時也是關鍵的一步。當對多組分溶液進行加熱時，在氣液界面會產(chǎn)生由濃度梯度引起的Marangoni作用力與熱毛細作用引起的Marangoni作用力。這兩種Marangoni作用力使流體流向熱端或流向冷端。當這兩種驅動力的方向都為從高溫區(qū)域到低溫區(qū)域時，將能使流體的換熱最大限度地被增強。因此以表面張力作為關鍵因素來配制自濕潤流體，選取自濕潤流體的組分。由于不同濃度的混合溶液所表現(xiàn)出來的表面張力特性有較大差別，故溶液各組分的不同濃度也需要加以以研究。

SAVINO等[27]測試了質量分數(shù)為5%的丁醇水溶液、0.2%的庚醇水溶液、5%的丁醇甲酸鉀（FP40）溶液與0.2%的庚醇甲酸鉀溶液的熱物性。測試結果表明，甲酸鉀自濕潤流體隨溫度升高所表現(xiàn)出的表面張力上升變化速度更大。該溶液受熱時在氣液界面處能產(chǎn)生更強烈的Marangoni作用，大大強化了沸騰傳熱。接著分別測試了各種自濕潤流體的接觸角和導熱系數(shù)。實驗結果表明，與水和甲酸鉀相比，制備出的自濕潤流體溶液的接觸角明顯降低，表明其潤濕效果更好，而導熱系數(shù)則變化不大。然后他們往銀納米流體中加入少量的丁醇，制備出自濕潤納米流體。通過測試表明，加入納米粒子的自濕潤流體，其導熱系數(shù)得到明顯強化。

近年來，關于其他種類的自濕潤流體的研究越來越多。DI PAOLA等[28]往醇水溶液中加入單壁納米角質物（SWNH），形成了自濕潤納米流體。他們分別測試了隨溫度變化的表面張力的變化趨勢和其導熱系數(shù)。并將自濕潤納米流體應用到熱管中與一般的自濕潤流體和水進行了傳熱性能的比較。實驗結果表明，同一般的自濕潤流體相比，自濕潤納米流體擁有更好的自濕潤特性和導熱能力，擁有作為熱管的新型高效工質的潛力。

雖然通過目前不少對自濕潤流體的研究，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一部分具有擁有非同尋常的表面張力特性的溶液，但主要集中在長碳鏈的稀醇水溶液以及與其他溶液的混合。因此有必要探索其他擁有自濕潤特性的工質，從而豐富自濕潤流體的類型種類，擴展該類工質的范圍，使得能適應多種工況環(huán)境和特殊條件，應用于更廣闊的散熱領域。

3 自濕潤流體的流動與傳熱特性

從自濕潤流體的傳熱機理中不難發(fā)現(xiàn)其強化傳熱的潛力，但在流體的流動與傳熱過程中，還與流體其他特性密切相關。為了了解自濕潤流體在流動與傳熱過程中的特性，研究者通過一系列的可視化觀察手段與沸騰實驗對自濕潤流體進行了更深入的研究。

3.1 自濕潤流體的可視化實驗

可視化實驗能夠直觀簡明地揭示流體流動的一些傳熱特性和氣泡變化情況。因此SAVINO等[29]通過給外徑8mm、內徑5mm以及長160mm的玻璃管內注入乙醇與自濕潤流體（質量分數(shù)為0.1%庚醇水溶液）來進行可視化實驗。在玻璃管內的溶液中間留有一個小氣，通過在玻璃管的一端纏繞上電阻絲來加熱溶液，使溫度逐漸上升，從而觀察小氣泡在管內的流動情況。觀察現(xiàn)象可知，在注入的工質為乙醇時，隨溫度上升，小氣泡逐漸流向加熱部分。然而當注入的工質是自濕潤流體時，小氣泡先是往靠近加熱部分的方向移動了一段距離，然后反向逐漸向遠離加熱端的方向移動。他們指出，隨溫度上升，當使用乙醇溶液為工質時，受熱產(chǎn)生的熱毛細力會推動氣泡往加熱端流動。而當工質為自濕潤流體時，在溫度加熱到特定值后，表面張力達到最小值。其后隨溫度上升而增大的表面張力梯度形成了推動氣泡往冷端區(qū)域流動的熱毛細力，而液體則是往熱端區(qū)域流動。由于自濕潤流體的這種異于尋常工質的傳熱特性，使得其作為工質時能自發(fā)潤濕加熱端，從而大大減緩了燒干現(xiàn)象的出現(xiàn)時間。

ABE等[9]用干涉測量法分別對CFC-113、20%乙醇水溶液、1.5%丁醇水溶液進行了一系列的微重力下的起泡實驗。實驗觀測結果表明，CFC-113內部受熱處產(chǎn)生氣泡后，氣泡并未迅速分離，氣泡周邊的流體沿氣泡邊緣流動，其加熱處溫度曲線無明顯變化。而其他兩種流體受熱后，隨著氣泡的生成，能觀測到氣泡與加熱器接觸區(qū)域周邊的液體向接觸區(qū)域流動，促使氣泡分離，其加熱處溫度曲線發(fā)生明顯變化。他們認為該類流體由于濃度梯度與溫度梯度而產(chǎn)生雙重Marangoni作用，使流體自發(fā)地從低溫區(qū)域向高溫區(qū)域流動，從而增強了換熱。

ABE[30]以長165mm、內徑10mm的玻璃管作為無芯熱管在微重力條件下進行了可視化實驗。加熱部采用長50mm、透明的ITO加熱器，并把熱電偶放進玻璃管內壁記錄溫度變化。通過示蹤粒子來觀察20%乙醇水溶液、1.5%丁醇水溶液以及純水3種工質受熱后從冷凝部回流到加熱部的速度。觀測結果表明，自濕潤流體工質的回流速度明顯快于水，并且熱管能順利啟動，冷凝部溫度與加熱部溫度的溫差較小，溫度分布較為均勻；當水作為工質時，由于水不具有及時從冷凝部回流到加熱部的特性，加熱部的溫度不斷升高，從而影響了傳熱性能。

近年來，鉑絲越來越多地被用于可視化實驗中進行觀察。MOROVATI等[31]將丁醇溶液與水應用在帶玻璃窗的不銹鋼容器，并通過水平放置的懸浮鉑絲進行可視化實驗觀察其現(xiàn)象。觀察結果表明，一些氣泡在從加熱絲上破裂后向上升之前是先下沉的。對此他們給出了可能的原因，認為可能是由于某些氣泡的初始動量大于浮力，從而導致了此現(xiàn)象。同時他們還觀察到自濕潤流體有微氣泡噴射現(xiàn)象。微氣泡噴射現(xiàn)象能夠更快地傳遞熱量，提高熱流密度，并且不會像大氣泡一樣可能會堵塞微小通道從而阻礙傳熱，因此該現(xiàn)象對于微小尺度下的傳熱有著更為深遠的影響。

HU等[32]采用以庚醇水溶液為工質的直徑為0.2mm、長度為20mm的鉑絲，就其水平位置來進行了可視化實驗。觀察結果表明，自濕潤流體能顯著提高臨界熱流密度。比如，0.1%的庚醇水溶液的臨界熱流密度為2.14MW/m2，而水的臨界熱流密度為0.85MW/m2，換句話說，自濕潤流體的臨界熱流密度接近于水的2.52倍。并且自濕潤流體的氣泡尺寸也通常小于水的，因此能夠有益于使這種工質應用于微小通道的傳熱裝置。

ZHOU等[33]進行了實驗觀察自濕潤流體在直徑為30～50μm、長度為65mm的鉑絲上的多股噴射以及氣泡噴射現(xiàn)象。實驗用的玻璃容器尺寸為25cm×25cm×25cm，其實驗結果表明，隨去離子水里的氣泡直徑的增大，多噴射現(xiàn)象變得愈發(fā)模糊。但是對于丁醇水溶液，沒有觀察到氣泡頂端的射流現(xiàn)象。相反，能夠在氣泡附著的鉑絲上的底端邊緣上觀察到多股噴射現(xiàn)象。同時還能發(fā)現(xiàn)毛細對流使過冷的水從氣泡底部的過熱的較薄液層到氣泡頂端。然而對自濕潤流體來說，卻是相反方向，從而使過冷液體流向了被加熱的區(qū)域。不同學者在可視化實驗研究中都觀察到了噴射現(xiàn)象，可是對于出現(xiàn)的機理原因目前尚不明了，有待于以后的進一步探究來解釋這一現(xiàn)象。

其他與流動特性相關的因素對傳熱特性的影響也被FRANCESCANTONIO等[34]通過可視化的方法進行了研究，將醇的多元混合物注入石英透明容器內來觀察在表面張力推動下的液體流動。石英透明容器外部尺寸為12.5mm×12.5mm×45mm，內部尺寸為10mm×10mm×39mm。實驗結果表明，水的流動速度接近于1mm/s，然而正庚醇水溶液的流動速度很高，達到了15mm/s。自濕潤流體在流動速度遠高于水，從而可以以更快的流動來傳遞熱量，從另一個方面也可以說明自濕潤流體對于傳熱的 意義。

由于航空領域的需要，不少學者也做了一系列可視化實驗為航空實驗作準備。SAVINO等[35]先用表面張力計測試了多種流體的表面張力隨溫度的變化（水、乙醇、丁醇、庚醇的混合溶液）。測試結果表明，水等單組分流體的表面張力都隨溫度的上升而下降。而部分混合溶液（如高碳稀醇水溶液）的表面張力則在達到一定的溫度后，表面張力達隨溫度升高而增大。為進一步研究這些流體在熱管中的影響，他們把自濕潤流體與水注入水平放置的玻璃管內，在一端加熱，采用示蹤粒子觀測其內部的流動。通過CCD攝像儀觀察發(fā)現(xiàn)，注入自濕潤流體時，冷凝部回流至加熱部的速度明顯快于水。

通過可視化實驗能直觀地觀察到氣泡的運動方向、氣泡尺寸以及其他因素，從而更好地了解自濕潤流體流動特點，為自濕潤流體的傳熱機理研究提供直觀的現(xiàn)象。

3.2 自濕潤流體的沸騰實驗

也有不少學者做了大量的關于自濕潤流體的沸騰實驗研究。VAN STRALEN等[36-39]發(fā)表了一些混合工質沸騰傳熱特性的文章，并研究了混合工質沸騰的基本特征。VAN和SUZUKI等[40-41]在文獻中指出，以自濕潤流體進行池沸騰實驗，其臨界熱流密度是水的2～3倍。CAREY等[42-43]對2-戊醇進行沸騰實驗時，發(fā)現(xiàn)由濃度梯度產(chǎn)生了一股較強的Marangoni流動，并且指出，在7kPa的低壓下，摩爾分數(shù)為1.5%的2-戊醇水溶液的臨界熱流密度高出水的2倍多，并計算出其沸騰傳熱系數(shù)遠大于水。

SITAR和GOLOBIC[44]將丁醇水溶液注入平行排列的橫截面為25μm×25μm和50μm×50μm的微通道來探究其傳熱特性。他們發(fā)現(xiàn)在同樣的熱流密度下，與水相比丁醇水溶液能更顯著地降低溫度。與純水或丁醇相比，在水中加入一定量的丁醇能夠強化池沸騰的傳熱過程。

近年來，有不少學者做了關于各種不同條件下自濕潤流體的沸騰實驗。MOROVATI等[31]通過無油壓縮機制造出壓縮空氣，從而在高壓環(huán)境（1～4bar之間，1bar=0.1MPa）下探究自濕潤流體的沸騰傳熱特性。他們發(fā)現(xiàn)即使在高氣壓下自濕潤流體也能增加臨界熱流密度，他們把這種結果歸功于持續(xù)不斷的微氣泡噴射現(xiàn)象。實驗結果還表明，更高的氣壓帶來了更高增長速率的臨界熱流密度變化，氣壓的增加導致了臨界熱流密度更快的增加。然而當丁醇水溶液濃度達到7%時，系統(tǒng)壓力對于臨界熱流密度來說不再有顯著提升效果。對于這種促進作用目前還沒有合理的解釋，留待以后對非理想混合物的蒸汽壓和表面張力特性進行深入研究后給出結論。

HU等[24]探究了不同過冷度（1°、5°、10°、15°）下鉑絲（直徑0.2mm、長度20mm）的庚醇水溶液的池沸騰傳熱特性。實驗表明，臨界熱流密度隨自濕潤流體濃度的增加或過冷度的增加而增加。比如，過冷度為15℃下的臨界熱流密度是過冷度為1℃下的2倍。這是由于在更高的過冷溫度下，需要更多的熱流量使過冷區(qū)域被加熱從而達到臨界熱流密度。并且更高的過冷溫度導致了氣泡與溶液間更大的溫差，因溫差產(chǎn)生的熱毛細作用力驅動液體回流到受熱表面。也就是說，更高的過冷溫度有更好的傳熱性能，因此能有效阻止燒干現(xiàn)象的發(fā)生。

ZHOU等[45]以去離子水和一些典型的自濕潤流體（丁醇、戊醇、己醇水溶液）為工質在直徑為6mm的充滿球形玻璃珠的多孔床體結構上進行了核態(tài)沸騰實驗。氣泡在高熱流密度下，不同工質的沸騰現(xiàn)象如圖5所示。他們發(fā)現(xiàn)在較低的熱流密度下，傳熱系數(shù)隨熱流密度增加而減少。當熱流密度增加到某一特定值如35kW/m2后，傳熱系數(shù)隨其增加而略微增加一點，還表明在所有的熱流密度條件下，傳熱系數(shù)隨碳原子數(shù)的增加而增加。

通過對自濕潤流體的可視化與沸騰實驗的研究，可以更直觀地感受到自濕潤流體的流動特性與分析其傳熱機理，將良好的傳熱性能與直觀的現(xiàn)象結合起來，從而對未來的自濕潤流體的沸騰傳熱機理的研究奠定基礎。

4 自濕潤流體在熱管中的應用

由于熱管擁有不同類型及復雜的工況條件，因此對于在里面流動的工質的性質有著較高的要求以適應其散熱需求。而自濕潤流體作為一種新型的強化傳熱工質，由于隨溫度增加而增加的表面張力引起的逆Marangoni效應提供了額外的推動力使液體能從冷凝區(qū)域回流至蒸發(fā)區(qū)域，對于強化傳熱大為有利，因此有必要對其在熱管中的性能進行研究。為了探究證明自濕潤流體在熱管中的強化傳熱效果，許多學者就自濕潤流體在熱管中的應用進行了深入研究。

4.1 自濕潤流體在無毛細芯熱管中的應用

近些年來，越來越多的學者以子濕潤流體為工質對無毛細結構的熱管的傳熱性能進行了探究。DI FRANCESCANTONIO等[46]先通過測量自濕潤流體的表面張力隨溫度的變化特性，表明了自濕潤流體能夠自發(fā)從低溫區(qū)域回流到高溫區(qū)域。然后將自濕潤流體注入到玻璃管中觀察管內流體的運動狀況，最后把自濕潤流體注入到4mm、8mm直徑的溝槽熱管中，與水對比其傳熱性能。實驗結果表明，醇水溶液可提高熱管性能，能延緩熱管中燒干現(xiàn)象的出現(xiàn)，并表現(xiàn)出優(yōu)于水的傳熱性能。

圖5 高熱流密度下氣泡沸騰現(xiàn)象圖[45]

SU等[47]用彎曲的內徑2mm、外徑4mm的銅毛細管加工出振蕩熱管，將氧化石墨烯的分散溶液與丁醇水溶液混合制備出自濕潤納米流體注入其中從而研究該流體的傳熱性能。實驗結果表明，當氧化石墨烯分散溶液的質量分數(shù)為0.07%、丁醇水溶液的質量分數(shù)為0.7%時振蕩熱管的傳熱性能最佳。自濕潤納米流體與自濕潤流體相比傳熱性能最多時增加了16%，與納米流體相比最多時增加了12%?？梢钥闯鲎詽駶櫦{米流體與自濕潤流體相比性能有所提高，不過自濕潤納米流體的傳熱特性比較復雜，影響因素眾多，并且很難保證同樣種類的自濕潤納米流體的性能一樣，因此還需要更多的實驗探究來揭開其中的內在聯(lián)系，從而能為工質的選擇給出 依據(jù)。

ZHAO等[48]采用以水、乙醇溶液和自濕潤流體為工質，注入總長1200mm及內徑為4mm的振蕩熱管進行傳熱實驗，在30%～80%范圍的充液率下進行對比，每次變化間隔10%。結果表明，與水或乙醇相比，注入自濕潤流體的振蕩熱管能夠經(jīng)受更高的熱負載。40%～80%充液率下的充有自濕潤流體振蕩熱管與充液率為30%的熱管相比能夠在更大的熱負載下正常工作，并且熱效率在充液率為40%和加熱功率為600W時到達最大值81.38%。因為注有自濕潤流體的振蕩熱管有更低的熱阻、更大的熱密度、更長的熱輸送距離以及更大的直徑。自濕潤流體在振蕩熱管中也具有良好的傳熱性能，因此能夠作為一種高效傳熱工質應用于振蕩熱管中。

DI FRANCESCANTONIO等[34]還探究了以自濕潤流體為派熱克斯玻璃管（內徑10mm、厚度1mm以及長度為165mm）工質的傳熱特性。實驗結果表明，在水平工況下沿充滿醇溶液熱管分布的溫度梯度與充滿水的熱管相比更小，同時也表明有著更小的熱阻。這個結果可以由通過濃度和溫度梯度產(chǎn)生的Marangoni效應來解釋。

關于脈動熱管的實驗探究也逐漸增多。WU[49]將稀濃度的丁醇、戊醇、己醇溶液注入脈動熱管探究其傳熱性能。實驗結果表明，自濕潤流體的臨界熱負荷為650W，而水的使250W，增加了160%，并且當使用6%的丁醇水溶液時最低總熱阻減少了60%。自濕潤流體在脈動熱管中的臨界熱負荷遠高于水，與水相比熱阻降低也較為明顯，具有良好的傳熱性能，可有效應用在脈動熱管中。

張明等[50]將自濕潤流體應用到外徑4mm、內徑2mm由紫銅管焊接而成的脈動熱管，實驗系統(tǒng)如圖6所示。其中自濕潤流體是濃度為0.5mg/mL的氧化石墨烯分散液與質量分數(shù)5%的正丁醇水溶液按體積比2∶5配制而成的混合溶液。實驗結果表明，正丁醇水溶液與氧化石墨烯分散液的混合溶液的溫差小于去離子水的，表現(xiàn)出優(yōu)良的運輸性能。但在較低溫度和較小的功率小，自濕潤流體良好的潤濕特性也沒有得到充分表現(xiàn)，然后隨著溫度升高，自濕潤特性開始發(fā)揮作用，當加熱功率大于70W后，隨著功率增加差距逐漸減小，可能是因為氧化石墨烯顆粒的懸浮穩(wěn)定性漸弱的緣故。通過分析氧化石墨烯對正丁醇水溶液脈動熱管的強化作用率隨加熱功率的變化情況圖可知，氧化石墨烯的強化作用在20W前甚至是相反的作用，然后隨功率增大，強化作用先加強后減少，在加熱功率為60W時達到最大?？梢钥闯鲅趸φ〈妓芤好}動熱管的強化作用主要體現(xiàn)在中間一段加熱功率上，關于氧化石墨烯的應用有待以后的進一步研究后揭示其內在機理。

圖6 實驗系統(tǒng)圖[50]

FUMOTO等[51-52]制作了兩種尺寸的刻槽平板脈動鋁板熱管進行實驗研究，長分別為145mm、250mm，寬分別為25mm、16mm，厚均為2mm，平板內分別刻上13個、9個1.26mm×1.26mm的通道，通道間的間隔厚度為0.37mm，把自濕潤流體注入到平板刻槽式脈動熱管里。實驗通過分析不同工質（稀丁醇、戊醇、庚醇水溶液和水）在不同濃度與充液率下，觀測平板脈動熱管的性能進行對比研究。實驗結果表明，采用自濕潤流體作為熱管工質，可提升熱管的傳熱性能，并且采用質量分數(shù)1%或更低的自濕潤流體時熱管的熱阻更低。

綜上可以看出，自濕潤流體工質擁有良好的傳熱性能和不同于一般工質的特性，并且在各種類型的無毛細芯熱管中有著良好的傳熱表現(xiàn)，因此能夠作為一種能廣泛應用于各種無毛細芯熱管的高效傳熱工質。

4.2 自濕潤流體在不同傾斜角下熱管中的應用

近年來，自濕潤流體在熱管不同傾斜角條件下進行的實驗研究也有了很大進展。SENTHILKUMAR等[53-54]以填充了2.365mm孔徑的毛細網(wǎng)以及外徑為20mm的熱管作為觀察對象，以稀濃度的丁醇、戊醇、己醇、庚醇水溶液與去離子水作為工質，具體實驗裝置擺放如圖7所示。各種工質在不同傾斜角度下（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）進行實驗來探究其傳熱性能。

實驗結果表明，在各種傾斜角度下，自濕潤流體與去離子水相比表現(xiàn)出更低的熱阻、更好的熱穩(wěn)定性以及更高的熱輸送效率。

圖7 實驗裝置示意圖[54]

KARTHIKEYAN等[55-56]也探究了在不同傾斜角度（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）下以正丁醇水溶液為工質的熱管中的傳熱性能。其中實驗在不同的輸入功率40W、50W、60W、70W、80W和不同的傾斜角度0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下重復多次，所用熱管外徑為19mm，總長1000mm。實驗結果表明，正丁醇水溶液的熱阻與去離子水的相比更小且隨輸入功率的增加而增加。冷凝端的傳熱系數(shù)也略微小于蒸發(fā)端的傳熱系數(shù)。比如，當傾斜角度為75°、輸入功率為80W時，正丁醇水溶液蒸發(fā)端的傳熱系數(shù)比去離子水高了55%。而當傾斜角度為15°、輸入功率為80W時，比去離子水高出了32%。

辛公明等[57]將水和質量分數(shù)為5%的正丁醇水溶液注入重力熱管探究其在不同微小角度下（0°、1°、3°、5°和10°）的傳熱性能，實驗所用熱管是外徑9.52mm、內徑8.32mm以及長度250mm的銅的內螺紋熱管。實驗結果表明，熱管的絕熱段在各角度下表現(xiàn)出良好的溫度均勻性，但自濕潤流體重力熱管的絕熱段和蒸發(fā)段的溫度在不同角度下都明顯高于水的重力熱管，冷凝段溫度則相差不大。說明自濕潤流體熱管有更大的軸向溫差，并且在這些傾角范圍內傾角變化對重力熱管的溫度影響不大。該作者指出由于自濕潤流體自身的表面特性，該在促進蒸發(fā)段換熱的同時會惡化冷凝段的換熱，而實驗所用充液率很高，對蒸發(fā)段換熱改善并不明顯，傾角較小，對冷凝段的惡化卻較為顯著，這些因素惡化了自濕潤流體重力熱管運行溫度特性。該作者又對不同微小傾角下重力熱管的熱阻進行了對比，結果表明，自濕潤流體重力熱管的熱阻在達到傳熱極限之前均稍大于水的（除了0°傾角，未達到極限前就已小于水），并且重力熱管的傳熱極限隨傾角增大而增大，自濕潤流體重力熱管的傳熱極限在各傾角下與水相比明顯增大。由此可知，自濕潤流體重力熱管在地面應用時更適用于那些要求較大熱負荷和能耐高溫的換熱場合。

4.3 自濕潤流體在微重力條件下熱管中的應用

自濕潤流體的表面張力特性決定其在受Marangoni作用影響大的領域都能有相當好的應用前景。自濕潤流體在不同條件下特別是在微重力條件下或是在微小型的電子散熱元件中能對強化換熱起到較大的作用，因此自濕潤流體作為熱管工質在微重力下或微通道中的強化傳熱效果成為了研究熱點[58-62]。下面就其應用于微重力條件下的熱管中的應用進行介紹。

TANAKA等[63]將自濕潤流體和水分別注入單通道熱管和多通道熱管（用銅、聚酰亞胺、石墨制作而成）中，并在微重力與正常重力條件下進行對比研究其傳熱性能。實驗結果表明，在微重力下，自濕潤流體為工質時的溫度分布更均勻，因此能夠在微重力條件下?lián)碛辛己玫膫鳠嵝阅堋?/p>

SAVINO等[27]以不同的混合溶液如正丙醇、正丁醇、正戊醇和正庚醇溶液）作為直徑為4mm或8mm以及長度為250mm的復合毛細結構的圓柱狀熱管的工質，在微重力條件下進行了傳熱實驗。實驗結果表明，使用了自濕潤流體的熱管的燒干極限一般來說比使用水為工質的熱管的燒干極限增加了50%，因此該種溶液能夠大大延緩燒干現(xiàn)象的發(fā)生，增強了傳熱。

ABE等[64]將稀乙醇水溶液和稀丁醇水溶液應用到無芯熱管中，將稀丁醇水溶液應用到有芯熱管中。并將這些熱管分別置于正常重力和微重力的條件下進行對比試驗。實驗結果表明，微重力條件下的熱管的燒干極限與在正常重力下相比降低了10%～50%，除以稀丁醇溶液為工質的無芯熱管外，其他熱管的熱阻大約增加了30%。通過實驗結果的對比可知，自濕潤流體的潤濕特性能顯著提高熱管的燒干極限。

SAVINO等[65-66]以長25mm、直徑4mm（內部由毛細結構）和8mm（無毛細結構）的溝槽銅管中為研究對象，將水和自濕潤流體注入熱管，分別在重力條件下和微重力條件下進行了傳熱實驗。實驗中銅管一端加熱，另一端用恒溫水循環(huán)冷卻。實驗結果表明，在正常重力垂直放置時，由于存在重力的回流推動作用，無論是直徑4mm還是8mm的銅管，兩種工質的熱阻相差不大，自濕潤流體回流特性現(xiàn)象并不顯著。而在水平工況下，缺少重力的回流作用，自濕潤流體由于其濕潤特性，使工質能及時回流，在兩種銅管中都能表現(xiàn)出良好的傳熱性能。而以水為工質時，在兩管中都較快地出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。在微重力條件下，以水為工質時，兩根銅管無論在垂直還是在水平工況下，都很快出現(xiàn)燒干現(xiàn)象。而以自濕潤流體為工質時，兩根銅管都能表現(xiàn)出較良好的傳熱性能。

4.4 自濕潤流體在其他熱管的應用

由于熱管種類繁多，而不同類型的熱管其結構性能也不一樣，從而導致即使是同一種自濕潤流體在不同類型的熱管中傳熱性能也會天差地別。因此有必要探究自濕潤流體在不同類型熱管中的性能優(yōu)劣。ABE等[60]為探究自濕潤流體在正常重力條件下對熱管傳熱性能的影響，又以直徑4mm和8mm的有芯熱管作為研究對象，注入自濕潤流體（質量分數(shù)為1.5%丁醇水溶液）與水對比其傳熱性能。其實驗結果表明，4mm直徑的熱管中，與水對比，自濕潤流體能提高約40%的燒干極限，降低約15%的熱阻。而在8mm直徑的熱管中，與水對比，自濕潤流體并未有提高燒干極限的現(xiàn)象，但熱阻下降了約40%。由此表明，在小尺寸中，自濕潤流體提高燒干極限的效果更明顯，而在大尺寸中，降低熱阻的效果更顯著?？墒亲髡卟⑽粗赋鲎詽駶櫫黧w在哪種尺寸的熱管的傳熱性能更為優(yōu)越，并且也沒有說明怎樣來選擇合適尺寸的熱管使得自濕潤流體能最大效度地增強傳熱。因此需要更深入地研究自濕潤流體與不同尺寸熱管的內在聯(lián)系，從而為選擇合適的熱管尺寸給出依據(jù)。

DI FRANCESCANTONIO等[34]以正庚醇水溶液（質量分數(shù)0.1%）和水作為工質注入到直徑不同的4個開槽銅管中，對比其不同直徑銅管下的傳熱性能。其中兩個直徑4mm，而另外兩個直徑8mm。實驗結果表明，無論是直徑4mm還是8mm的銅管，自濕潤流體在銅管中都表現(xiàn)出良好的傳熱性能，擁有接近兩倍于水的燒干極限以及更低的熱阻。

其他種類的自濕潤流體如自濕潤納米流體對傳熱性能的影響被PAOLA等[60]進行了探究。他們將自濕潤流體以及自濕潤納米流體（里面有質量分數(shù)為0.01%的納米粒子）應用到直徑8mm、長度250mm的開槽熱管。實驗結果表明，自濕潤流體與自濕潤納米流體和水相比，擁有更好的穩(wěn)定性和對熱傳導有更大的提升，展現(xiàn)出更好的傳熱性能，從而能夠作為一種比較新穎的工質應用到傳熱設 備上。

SATO等[67]將質量分數(shù)為5%的正丁醇水溶液、5%正丁醇與2.5×10–4mol/dm3銀納米粒子混合的水溶液作為直徑4mm、長度250mm的開槽銅管的工質來探究其傳熱性能。實驗結果表明，注有質量分數(shù)為5%正丁醇與2.5×10–4mol/dm3銀納米粒子混合的水溶液的熱管的燒干極限與水和質量分數(shù)為5%的丁醇水溶液相比顯著提高。因此加入一定量的銀納米粒子與自濕潤溶液混合能顯著增大燒干極限以及強化傳熱。

汪雙鳳等[68]以外徑6mm、長度260mm的燒結銅管作為研究對象，將自濕潤流體注入其中探究其熱輸送性能。實驗結果表明采用質量分數(shù)為0.1%的庚醇水溶液時，在較低功率下時，自濕潤流體的熱輸送能力略差于水，需更多時候溫度曲線才能趨于平衡，并且熱阻也高于水，未體現(xiàn)出良好的自濕潤特性。隨著功率上升，自濕潤流體的溫度曲線很快趨于平衡，自濕潤流體的熱阻與水相差越來越大，表現(xiàn)出明顯優(yōu)于水的熱輸送能力。

PEYGHAMBARZADEH等[69]將水與丁醇溶液（質量分數(shù)為4%與7%）注入內徑1.5mm、外徑1.8mm以及長度16cm的玻璃毛細熱管。實驗結果表明，傳熱系數(shù)隨蒸發(fā)段熱流密度增加而增加，而當熱流密度恒定時，傳熱系數(shù)隨冷凝段溫度增高而增加。并且質量分數(shù)為7%的丁醇溶液傳熱系數(shù)大于其他溶液的傳熱系數(shù)。他們還發(fā)現(xiàn)熱阻隨溶液濃度增大而減少，總熱阻隨冷凝段溫度增大而減少。但是當冷凝段溫度達到35℃時，對所有工質來說都觀察到了同前面不一樣的趨勢。根據(jù)這些實驗結果，他們提出了兩種機理來解釋不同工質對應的不同的熱管傳熱性能。首先是蒸氣分離機制，使用自濕潤流體時，在蒸發(fā)端會產(chǎn)生更多的蒸氣，而這些蒸氣將熱量傳遞到了冷凝端。然后是液體到達機制，溫度梯度引起的濃度梯度促使液體從熱端回流到冷端。由于液體在冷凝端更短的停留時間，因此在絕熱段和冷凝段的核態(tài)蒸汽溫度不會像以水為工質時那樣減少。但是也應該注意到，蒸發(fā)段產(chǎn)生的較大質量流率的蒸氣將導致更大的壓降從而促使蒸氣從蒸發(fā)段流向冷凝段，而這將惡化熱管的傳熱性能。為了得到最優(yōu)性能的熱管性能，需要考慮產(chǎn)生蒸氣流速的最佳值，這可以作為未來研究思考的方向。

以上研究介紹了現(xiàn)有的自濕潤流體在各類熱管中的不同工況條件下的應用的研究結果，為了方便查閱，不同文獻對應的關于熱管應用不同條件下的研究已被詳細地列入表1。盡管文獻數(shù)量有限，但表明了自濕潤流體作為熱管的新型高效工質能大大地強化傳熱效果，勝任各種工況條件，在熱管中有很大的應用前景。然而目前對自濕潤流體傳熱機理的研究尚屬于起步階段，大部分的研究屬于對自濕潤流體強化傳熱宏觀現(xiàn)象的研究分析，考慮到影響自濕潤流體傳熱機理因素的復雜性，因此很有必要對自濕潤流體的流動與傳熱機理進行微觀層次的深入研究，為其在傳熱領域散熱系統(tǒng)上的應用提供理論基礎，從而增大其應用范圍和適合的工況條件。

表1 不同文獻對應的關于熱管應用不同條件下的研究

5 結語與展望

本文對自濕潤流體流動與傳熱特性的相關研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)進行了綜述，通過以上匯總分析，目前的進展可概述如下。

（1）單組分流體沸騰時，熱毛細力作用會惡化其傳熱性能，而自濕潤流體由于其多組分混合物擁有不同尋常的表面張力特性從而使得可以自發(fā)從冷端往熱端回流，潤濕燒干部分，因此大大延緩了燒干現(xiàn)象的發(fā)生時間從而強化了傳熱，從而由于其良好的特性擁有著廣闊的應用前景。

（2）通過可視化實驗能直觀地觀察到氣泡的運動方向、氣泡尺寸以及其他因素，這些現(xiàn)象充分表明，自濕潤流體能有效防止熱管出現(xiàn)燒干現(xiàn)象，同時增強工質的傳熱效率，從而增強傳熱性能。通過沸騰實驗可以發(fā)現(xiàn)自濕潤流體在不同大氣壓、不同過冷度以及多孔床體結構中也能有良好的傳熱 性能。

（3）由于熱管的應用廣泛，因此有不少學者做了很多關于不同工況條件和不同類型熱管的研究。從這些結果可以看出，自濕潤流體能夠在無毛細結構、水平工況以及微重力等工況條件下有著良好的傳熱性能，優(yōu)于一般工質的表現(xiàn)，從而使其能適應很多一般工質不能勝任的工況條件，擁有優(yōu)于一般流體的傳熱性能。并且在不同類型以及不同結構的熱管中也有較好的表現(xiàn)，應用于更廣闊的領域。

雖然自濕潤流體因為其散熱的高效在很多散熱領域擁有巨大的潛力，但是為了更好地將其應用到實際中，目前仍然需要對存在的與其相關的問題進行研究。

（1）由于不同的應用需求和工況條件，對自濕潤流體的熱物性如導熱系數(shù)、凝點和沸點等要求也不同。研究不同類型的自濕潤流體的傳熱特性具有深遠的意義。

（2）由于沸騰傳熱的物理機制本來就比較復雜，而自濕潤流體作為一種新型高效的沸騰工質，相關研究才剛剛起步，因此需要對池沸騰下的自濕潤流體的傳熱特性進行可視化研究，同時對其強化換熱機理進行深入分析建模。

（3）目前自濕潤流體數(shù)值模型建立的研究仍然很少，特別是針對自濕潤流體在不同結構微通道的流動與傳熱模型進行研究，并與實驗結果進行對比，對于自濕潤流體應用到微電子領域作為傳熱工質具有重要意義。

（4）自濕潤流體不僅能應用到很多流動設備中，還能推廣到一些需要冷卻技術（如噴霧冷卻、液膜冷卻等）的領域。根據(jù)實際應用需要，研究開發(fā)出新型的以其為工質的換熱器或系統(tǒng)，從而實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化應用。

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Research progress of flow and heat transfer characteristics with self-rewetting fluid

HU Yanxin1，HUANG Kaixin1，CHEN Sixu1，WANG Shuangfeng2，HUANG Jin1

（1School of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Self-rewetting fluid is the non-azeotropic solutions satisfied to enjoy a particular surface tension behavior—an increase in the surface tension with increasing temperature. In the case of non-azeotropic compositions，preferential evaporation of more volatile component takes place. Preferential evaporation results in a composition gradient along the liquid/vapor interface，and the surface tension gradient due to the composition gradient induces Marangoni flow that is expected to enhance boiling heat transfer. Moreover，due to the particular surface tension behavior，the thermocapillary effect induces a liquid inflow to the bubble–heater contact area，which induce the liquid spontaneously move to the high temperature dry out region. In this paper，the researches on the flow and heat transfer characteristics of the self-rewetting fluids in the recent decades were summarized，mainly including heat transfer mechanism of the single component fluids，multi component fluids and self-rewetting fluids，the preparation of self-rewetting fluid and flow and heat transfer characteristics of self-rewetting fluid. Furthermore，the applications of self-rewetting fluid in wickless structure，different angles of inclination，microgravity conditions and different types of heat pipes were introduced in detail.

self-rewetting fluid；heat transfer mechanism；Marangoni effect；surface tension；visualization

TK124

A

1000–6613（2017）12–4329–14

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0682

2017-04-18；

2017-06-23。

國家自然科學基金（51476038）、廣東省前沿與關鍵技術創(chuàng)新專項資金項目（2016A050503042）、廣州市科技計劃產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新重大專項（2016201604030020）及廣州市科技計劃產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新重大專項項目（201704030009）。

胡艷鑫（1986—），男，講師，研究方向為強化沸騰傳熱。E-mail：huyanxin825@126.com。

黃金，教授，研究方向為傳熱傳質領域。E-mail：gduthuangjin@126.com。