孫帥杰 張程賓

東南大學能源與環(huán)境學院

隨著科學技術的進步和生產(chǎn)需要，電子設備朝著微型化和集中化方向發(fā)展，物理尺寸的減小與元件功率的增加使電子設備的熱流密度日益增高[1-4]。所以針對未來電子設備微型化、功率高的特點，迫切需要一種適應電子設備發(fā)展趨勢的熱管理系統(tǒng)[5-6]。微通道流動沸騰散熱系統(tǒng)由于具有均溫性好，設備質(zhì)量小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是未來高熱流密度電子設備的優(yōu)選散熱方案[7-10]。為了更好地設計微通道散熱裝置，研究并理解微通道流動沸騰過程的內(nèi)在機理具有重要意義。但是由于沸騰傳熱問題的復雜性，目前關于微通道流動沸騰傳熱機理的研究尚處于發(fā)展階段[11-12]。本文對關于微通道流動沸騰傳熱機理的實驗研究進行了總結(jié)，闡述并分析了目前微通道流動沸騰的研究重點與研究現(xiàn)狀。

1 微通道流動沸騰散熱系統(tǒng)的研究背景

2011 年國際半導體技術路線會議中預測到2026年單個微處理器芯片的散熱量將達到800 W，平均熱流密度將達到250 W/cm2。另外，Bachmann 等[2]的研究指出在微處理器芯片散熱中通常還將出現(xiàn)過熱點，過熱點的熱流密度為芯片平均熱流密度的6-10 倍，而Mudawar 等[13]的研究指出當熱流密度超過100 W/cm2，使用傳統(tǒng)的空氣單相對流冷卻已經(jīng)達到極限。用兩相流散熱系統(tǒng)替代單相散熱系統(tǒng)是一種強化傳熱與減小設備尺寸和重量的有效方法，這主要是由于相比于單相散熱系統(tǒng)，兩相流散熱系統(tǒng)利用了工質(zhì)的潛熱進行熱量的交換。針對兩相流散熱系統(tǒng)的開發(fā)，目前研究者們已經(jīng)對多種兩相散熱方式進行了研究。比如池沸騰，各種尺度通道內(nèi)的流動沸騰，射流冷卻，以及各種兩相冷卻方式結(jié)合的方法等。然而綜合熱管理系統(tǒng)的應用條件，比如航天設備要適應各種重力條件，各種高度集成化的設備要求減小熱管理系統(tǒng)的尺寸和重量，要有足夠大的散熱負荷等，微通道流動沸騰散熱系統(tǒng)由于具有均溫性好，設備質(zhì)量小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，應用前景廣闊。圖1 所示為美國諾格公司為大功率激光器開發(fā)的8 通道微通道散熱器，能夠達到激光器的溫度均勻性要求，而且該微通道散熱器的散熱效果可以達到500 W/cm2，極大地提高了激光器工作的可靠性。

圖1 諾格公司的微通道散熱器

使用微通道流動沸騰散熱系統(tǒng)有以下好處：①流動沸騰可以使被散熱器件壁面均溫性更好，這是由于大多數(shù)情況下壁面溫度總是高于工質(zhì)溫度的一定范圍，而在流動沸騰過程中，工質(zhì)溫度即為當?shù)貕毫ο碌娘柡蜏囟?。與單相換熱相比，兩相換熱工質(zhì)的溫度變化較小。當然，單相換熱也可以使壁溫達到一定的均溫性，但是需要很高的流速才可以實現(xiàn)。②兩相流傳熱在小流量下可以達到更高的傳熱系數(shù)。這是由于兩相換熱利用了工質(zhì)的潛熱，而不是僅僅利用顯熱進行換熱。以上的兩個優(yōu)點說明相比于單相流換熱系統(tǒng)而言，兩相流換熱系統(tǒng)只需要一個更小的工質(zhì)泵便能實現(xiàn)同樣功率熱量的冷卻，這也是兩相流散熱系統(tǒng)適用于日益集中化小型化的電子設備的表現(xiàn)。③隨著所需散熱功率的提高，壁面溫度的上升幅度更小。經(jīng)過許多研究者的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在核態(tài)沸騰下，隨著熱流密度的升高，傳熱系數(shù)逐漸變大。而在單相對流情況下，隨著所需散熱功率的提高，傳熱系數(shù)變化不大，則壁面溫度將隨著工質(zhì)溫度的上升快速變大。④與單相流換熱系統(tǒng)相比，穩(wěn)定流動下系統(tǒng)的換熱系數(shù)對流量的敏感性更小。這一優(yōu)勢使得散熱系統(tǒng)的循環(huán)泵不需要保證精確性很高，系統(tǒng)可靠性更高。

常規(guī)尺度通道中的流動沸騰已經(jīng)建立了基本的換熱理論，且已在各種系統(tǒng)中得到了廣泛應用。而在微尺度條件下，由于氣泡受到的明顯的空間限制作用，同時表面張力和毛細力的作用增強，浮升力作用減弱，微尺度下的流動沸騰展現(xiàn)出了與常規(guī)尺度完全不同的規(guī)律。因此不能將常規(guī)尺度條件下的流動沸騰規(guī)律應用于微尺度，而需要專門對其進行研究。最早的關于微通道內(nèi)流動沸騰現(xiàn)象的研究為Ishibashi 和Nishikawa[4]在多工作壓力下，對多種工質(zhì)在流道間隙介于0.97～20 mm 之間的通道內(nèi)進行的飽和沸騰實驗，實驗結(jié)果顯示當流道間隙小于3 mm 時，沸騰換熱得到顯著強化。之后國內(nèi)外許多研究者也對微通道流動沸騰進行了大量深入的研究。

2 微通道流動沸騰的研究現(xiàn)狀

目前關于微通道流動沸騰的研究重點包括：①確立出一個科學的、能夠廣泛應用的微通道、小通道的判斷標準。②研究清楚微通道流動沸騰過程中流型的發(fā)展特征,不同流型下的傳熱機理以及各種傳熱機理下的傳熱過程的影響因素。③微通道流動沸騰過程中的不穩(wěn)定性問題。④蒸干和臨界熱流密度的影響因素。

2.1 微通道的判別標準

隨著通道尺寸的減小，常規(guī)通道中的一些流體力學和傳熱學的現(xiàn)象可能被抑制，同時也可能會有其他的現(xiàn)象變得更加明顯，或者出現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此微通道流動沸騰具有異于常規(guī)通道流動沸騰的傳熱與流動規(guī)律。目前許多研究者盡管進行了一些不同尺度的微通道的對比實驗，并且根據(jù)各自的判別方法提出了一些微通道的判斷標準，但是不同研究者提出的判斷標準大都不一致。所以目前學術界關于“微通道”與“常規(guī)通道”的劃分尚沒有一個統(tǒng)一的標準。

Jacobi 等[14]指出，常規(guī)通道與微通道之間似乎沒有明確的一個尺寸來分隔，而是在一個尺寸范圍內(nèi)逐漸變化。他將常規(guī)通道到微通道劃分成了四個直徑尺寸范圍：1 μm＜微尺度＜100 μm，100 μm＜中尺度＜1 mm，1 mm＜緊湊尺度＜6 mm，常規(guī)通道＞6 mm。Kandlikar 等[15]也提出了類似的關于常規(guī)的熱交換器的微通道劃分標準，認為當直徑D＞3 mm 可以看作普通通道，當0.2 mm＜D＜3 mm 可以看作小通道，而當0.001 mm＜D＜0.2 mm 則可以作為微通道。也有其他研究者使用類似的固定的直徑范圍或比表面積作為劃分標準，這些劃分方法直接使用尺寸大小來劃分微通道，沒有考慮流動沸騰過程的物理機制，流體屬性以及其它影響，因此用這些劃分標準來為換熱器的熱設計做指導有一定的不合理性。

相比于常規(guī)通道，在微通道流動沸騰中，氣泡生長的受限作用是一個明顯特征。Harirchian 等[9]使用“對流限制系數(shù)”定量區(qū)分了一般流動向存在氣泡生長限制的流動的轉(zhuǎn)變，當“對流限制系數(shù)”小于160 時，氣泡受限制作用，流動應被視作微尺度流動，而當“對流限制系數(shù)”大于160 時，通道壁對氣泡不存在限制作用，可被視作常規(guī)尺度的流動。

另外，由于在微通道流動沸騰中，相比于浮升力，表面張力起重要作用，這一性質(zhì)與常規(guī)通道不同。所以一些研究者以表面張力為基礎，建立無量綱準則數(shù)來進行微通道的劃分。比如Cornwell[16]提出了一種受限系數(shù)Co=[σ/(g(ρl-ρg))]0.5/de，作為區(qū)分微通道的標準。在他的研究中認為當Co＞0.5 時通道可以作為微通道，這種標準被多名研究者引用以證明自己的研究是在微通道范圍進行的。

Kandlikar 等[15]的研究發(fā)現(xiàn)隨著通道尺寸的減小與流速的增加，環(huán)狀流液膜沿管周的均勻性增加。Ribatski 等[17]的研究發(fā)現(xiàn)隨著通道尺寸的減小，由于表面張力起主導作用，通道中的分層流動消失?；谶@些微通道中出現(xiàn)的特殊流動特征，Tibirica[18]以微通道流動沸騰的流型特征作為微通道的判斷標準，提出了兩種區(qū)分方法，分別是以塞狀流中不出現(xiàn)分層流為標準區(qū)分和以環(huán)狀流中液膜的厚度均勻為標準進行區(qū)分。這種區(qū)分方式仍然需要大量實驗結(jié)果來證明其有效性。

2.2 流型與換熱機理

經(jīng)過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，通道直徑的減小會導致流動沸騰過程的流型發(fā)生改變。在微通道中，流型明顯與常規(guī)通道不同。微通道中的流型出現(xiàn)與常規(guī)通道中不同的主要原因，一方面是表面張力和毛細力在微通道的尺寸范圍相比于浮升力更加占主導，另一方面是由于微通道尺寸與氣泡尺寸相當，導致氣泡在微通道中的行為特征與在常規(guī)通道中相比出現(xiàn)了差異。圖2 為常規(guī)尺度水平通道中發(fā)生流動沸騰時出現(xiàn)的典型流型示意圖。微通道中觀察到的流型相比于常規(guī)通道中出現(xiàn)的差異一般有：不出現(xiàn)分層流動，氣泡的受限生長，塞狀流和環(huán)狀流中出現(xiàn)的薄液膜、攪拌流的混亂程度較小。微通道中流型的這些特殊變化將會影響傳熱機理進而影響到微通道流動沸騰中的傳熱系數(shù)[19]。研究者們進行了大量的關于微通道中流型與傳熱機制的研究，同時許多研究也證明了兩者之間存在聯(lián)系。

圖2 常規(guī)尺度水平通道流動沸騰典型流型示意圖

微通道中的流型與常規(guī)通道相比，其中一個明顯的特征就是在微通道中不出現(xiàn)分層流動。Ribatski 等[17]通過在三種小內(nèi)徑（0.4 mm，1 mm，2 mm）的通道中（圖3），使用31 ℃的R245fa，以幾乎為零的流速進行了實驗，證明了在水平放置的微通道里，表面張力使工質(zhì)保持在水平微通道的上表面。Revellin 等[20-21]使用R134a 為工質(zhì)，在通道直徑分別為2 mm，0.79 mm 和0.509 mm 的水平通道中觀察了拉長氣泡的狀態(tài)。他們發(fā)現(xiàn)雖然在2 mm 和0.79 mm 直徑的通道中拉長氣泡的上下表面的液膜厚度不一致，而在0.509 mm 直徑的通道中拉長氣泡的上下表面的液膜厚一致，但是在通道中都沒有出現(xiàn)分層流動。這一實驗結(jié)果可以看出隨著通道直徑尺寸的減小，重力作用在減弱。

圖3 Ribatski 等證明在微通道中表面張力為主導的實驗

微通道流動沸騰的氣泡的生長狀況與常規(guī)尺度通道也存在顯著差異。在微通道流動沸騰的氣泡成長過程中，當氣泡的成長速率足夠大，在氣泡高度方向上通道壁面的存在阻礙了氣泡界面擴張所需排開液體的運動，會導致氣泡生長力變大，同時由于存在流動工質(zhì)作用于氣泡界面的不穩(wěn)定曳力，將引起流體對氣泡頂端的擠壓作用，在增大的氣泡生長力和作用于氣泡界面的不穩(wěn)定曳力的共同作用下，氣泡將出現(xiàn)受限生長。銀了飛[22]的研究表明由于在氣泡的受限生長階段氣泡根部液膜的接觸角出現(xiàn)的震蕩變化，強化了氣泡根部三相線附近有效蒸發(fā)區(qū)的界面蒸發(fā)強度，使得氣泡的生長速率變大，傳熱效果增強。另外，研究發(fā)現(xiàn)壁面的成核頻率、氣泡的脫離頻率、氣泡的脫離直徑等還受工質(zhì)過冷度，質(zhì)量流量和熱流密度，工質(zhì)性質(zhì)等的影響[6，23-25]。

關于微通道截面尺寸對流動沸騰的影響，Harirchian and Garimella 等[8]對工質(zhì)為FC-77，通道尺度深400 μm，寬100 μm 到5850 μm 范圍，流量225～1420 kg/(m2s)范圍的不同工況進行了實驗研究，同時使用高速攝影實現(xiàn)了流動的可視化。他們的研究表明隨著通道尺寸和質(zhì)量流量的減小，對流沸騰作用更強。而且隨著通道尺寸減小，出現(xiàn)了氣泡受限生長，氣塞周圍的液膜厚度變小，攪拌流混亂程度減小以及霧狀流消失等現(xiàn)象。

微通道流動沸騰中的傳熱過程通常是由單相對流換熱，薄液膜蒸發(fā)，核態(tài)沸騰以及氣芯內(nèi)液體夾帶引起的表面液滴沉積等實際存在的某幾種作用共同結(jié)合的結(jié)果。目前對于微通道的主導傳熱機制尚沒有一致的看法。Thome 和Consolini 的[7]研究綜合許多研究者的結(jié)論指出，在低含氣率情況下，通常流型為泡狀流或塞狀流，這時受主導的傳熱機理為核態(tài)沸騰，所以此時氣泡的脫離直徑和氣泡的脫離頻率等氣泡行為是影響傳熱效果的重要因素。而在高含氣率下，流型通常為環(huán)狀流，受主導的傳熱機理可以認為是壁面與氣相之間的薄液膜的蒸發(fā)作用。通常認為核態(tài)沸騰引起的傳熱過程的強化是由氣泡生長過程中氣泡下的薄液膜的蒸發(fā)和氣泡離開成核部位后氣泡攪動引起的大流量的強烈混合引起的。而在對流沸騰中，則是由于兩相流速增加和壁面上的薄液膜的蒸發(fā)作用使傳熱得到強化。Tibiricá 等[17]的研究指出在環(huán)狀流中，界面波也是影響環(huán)狀流傳熱系數(shù)的一個重要因素，引起界面波的原因有多種，比如由蒸汽高速流過液面產(chǎn)生的剪切力引起，或者由于環(huán)狀流液膜中出現(xiàn)的核態(tài)沸騰引起等。經(jīng)過證實這種界面波的存在對傳熱強化有重要作用。

2.3 流動沸騰的不穩(wěn)定性

流動不穩(wěn)定性通常以流型的周期性出現(xiàn)為表現(xiàn)方式，并會對換熱系統(tǒng)的工作產(chǎn)生明顯的影響。當流動不穩(wěn)定發(fā)生時，通常流量、壓力、壁面溫度等都會發(fā)生劇烈的震蕩，同時還可能引起設備的噪聲與振動。在微通道中，由于氣泡生長在空間上受限制，因此微通道中的流動沸騰不穩(wěn)定性比常規(guī)通道中更加劇烈[26]。因此研究者們希望能夠研究清楚不穩(wěn)定性發(fā)生的條件和機理。同時也有許多研究者在研究如何通過優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)來減小或者消除不穩(wěn)定性。關于微通道流動沸騰不穩(wěn)定性的影響因素，已經(jīng)有許多研究者進行了大量的研究，研究者們通過實驗觀察等手段總結(jié)出了各種導致流動沸騰不穩(wěn)定出現(xiàn)的原因。

Zhang 等[27]的實驗研究中觀察到在微通道中如果氣泡成核比較困難，由于通道中的流體過熱度較大，在氣泡成核后工質(zhì)瞬間大量氣化將導致氣泡的迅速膨脹，從而使微通道中的壓力出現(xiàn)瞬時大幅的波動，繼而由于氣泡的液膜發(fā)生蒸干，從而導致壁面溫度的迅速上升。所以，使用壁面有充分的氣化核心的微通道能減小流動不穩(wěn)定性。在Hetsroni 等[10]的研究中也出現(xiàn)了由于爆發(fā)性的氣化而導致的瞬時的溫度和壓力的震蕩。

微通道進出口的結(jié)構(gòu)與微通道流動沸騰不穩(wěn)定性也有密切關系，在微通道出口由于空間變大，氣體流動速度降低，造成了氣體堆積，從而在微通道出口部分造成了阻塞，使流量瞬間降低。所以出口腔體和連接管的設計應使蒸汽不能積聚在出口附近。而微通道的進口結(jié)構(gòu)對流動沸騰不穩(wěn)定性的影響機制可能是由于流體在通道入口空腔內(nèi)氣體的可壓縮性，影響了流動不穩(wěn)定出現(xiàn)時的壓力振蕩頻率與振幅。圖4 所示為Bogojevic 等[5]的實驗中觀察到的平行微通道流動沸騰產(chǎn)生的蒸汽逆流進入入口可壓縮容積引起微通道中出現(xiàn)壓力震蕩的過程。Kandlikar[28]和Kosar[11]等人的研究表明在微通道的入口加工出凸縮結(jié)構(gòu)，可以對微通道流動沸騰中的逆流產(chǎn)生抑制作用，從而可以減小這種震蕩。

圖4 Bogojevic 等的研究中觀察到的產(chǎn)生的蒸汽逆流進入入口可壓縮容積

當然也還有其它的導致微通道流動沸騰不穩(wěn)定出現(xiàn)的原因，比如氣泡的脫離直徑，在微通道流動沸騰中，如果氣泡的脫離直徑較大，在氣泡與壁面之間容易出現(xiàn)局部蒸干，這將導致壁面溫度的震蕩變化。另外，如果微通道的導熱性很高，則在微通道的進出口區(qū)域的溫度與受加熱區(qū)域的壁面溫度基本一致，當熱流密度比較高時，工質(zhì)在進入通道之前的部分就開始發(fā)生沸騰了，這樣也可能產(chǎn)生入口壓力的大幅震蕩。

在單條微通道中，和平行的微通道中，流動沸騰不穩(wěn)定也表現(xiàn)出不同的特點。Cheng[29]等研究了單通道和平行微通道中流動不穩(wěn)定性的差別，結(jié)果表明相鄰通道的影響會增大流動不穩(wěn)定性。當一條微通道中出現(xiàn)迅速大量的氣化時，該條微通道中的壓降將增大，在微通道流動沸騰中由于壓降和質(zhì)量流量是耦合的，通道中壓降的增加將導致質(zhì)量流量的減少，而質(zhì)量流量的減少又導致壓降的減小。結(jié)果出現(xiàn)了壓力和質(zhì)量流量的振蕩。而在平行微通道中，相鄰通道之間也存在相互影響，當其中一條微通道中由于通道中壓力的增加減小了該條通道中的流量，將導致其相鄰通道的流量增加。Bogojevic[5]等在他們的研究微通道流動沸騰不穩(wěn)定性的實驗中，觀察到了在流動沸騰時平行微通道中出現(xiàn)了不對稱流動，導致了在平行微通道橫向的壁面溫度的不均勻性和橫向上不同的微通道中不同的流動狀態(tài)同時存在。

2.4 臨界熱流密度（CHF）研究

臨界熱流密度（CHF）是指在出現(xiàn)沸騰惡化前達到的最高的熱流密度，超過臨界熱流密度將導致傳熱的惡化。對于實際工業(yè)應用而言，如核反應堆、鍋爐、電子冷卻裝置、蒸汽發(fā)生器等，進行準確的預測CHF對預防操作危險和減少設備故障具有重要意義。經(jīng)過大量實驗研究發(fā)現(xiàn)微通道流動沸騰的CHF 受工質(zhì)的物性、流量以及通道參數(shù)、熱流密度等因素影響[30-32]。而由于關于CHF 的判斷尚沒有統(tǒng)一的標準，因此研究者們做出的實驗關聯(lián)式也大都存在差異。

圖5 Mudawar 等的研究中描述的關于CHF 發(fā)生前出現(xiàn)的流動沸騰不穩(wěn)定過程

Thome 等[33]的研究發(fā)現(xiàn)在橫截面積較大的467 μm×4052 μm 微通道中入口溫度越大，CHF 會略微增大，而在橫截面積較小的199 μm×756 μm 微通道中，CHF 與入口過冷度無關，所以隨著通道尺寸的減小，過冷度對CHF 的作用似乎在變小。調(diào)研文獻也發(fā)現(xiàn)，不同的研究者們提出的關于CHF 的預測公式中，與入口過冷度相關聯(lián)的也很少。在Mudawar 等[34]的研究中發(fā)現(xiàn)，由于在微通道中出現(xiàn)了氣體的倒流，一方面阻礙了來流對微通道的潤濕作用，另一方面也幾乎抵消了工質(zhì)過冷對微通道的冷卻作用，從而使臨界熱流密度幾乎與入口過冷度無關（圖5）。

CHF 的大小也受系統(tǒng)壓力的影響，實質(zhì)是因為系統(tǒng)壓力影響到了工質(zhì)的性質(zhì)，比如當系統(tǒng)壓力增大，氣液密度比增大，汽化潛熱減小，從而導致CHF 的變大。Kosar 等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，CHF 的大小隨著系統(tǒng)壓力的增加，逐漸增加到一個最大值，然后又隨著壓力的增加逐漸減小。

表1 所示是總結(jié)的部分研究者根據(jù)實驗得到的CHF 預測經(jīng)驗公式，其中只有Katto 的經(jīng)驗公式包含了工質(zhì)入口過冷度的影響，而Qu 的Mudawar 的經(jīng)驗公式是在Katto 的基礎上得到的，但是由于臨界熱流密度實驗中微通道入口的蒸汽逆流使工質(zhì)入口過冷度對CHF 幾乎沒有影響，因此得到的經(jīng)驗公式中便忽略了工質(zhì)入口過冷度的影響?？梢钥闯霾煌芯空叩玫降慕?jīng)驗公式還是有一定差別的，這可能是因為對CHF 的判斷標準不一致或者實驗所采用的通道結(jié)構(gòu)、工質(zhì)等不完全統(tǒng)一而導致的。

表1 微通道流動沸騰的CHF 經(jīng)驗公式

3 總結(jié)與展望

微通道流動沸騰散熱系統(tǒng)由于其均溫性好，設備質(zhì)量小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，將在未來高熱流密度電子設備的兩相散熱裝置中得到廣泛應用。但是由于微尺度沸騰傳熱現(xiàn)象固有的復雜性，多樣性以及現(xiàn)階段測試手段的局限性，使得至今對于其中的流動特性、傳熱機理等內(nèi)在特征的認識還不夠深入，對于微通道內(nèi)流動沸騰換熱過程的實驗現(xiàn)象的內(nèi)在機理分析還存在爭議，關于微通道的劃分、臨界熱流密度的判斷標準等還沒有普遍的共識。所以仍然需要大量的實驗研究來建立更加準確、更加科學的微通道流動沸騰理論體系，進而建立更好的流動沸騰傳熱模型，為微通道流動沸騰散熱系統(tǒng)的實際應用打下科學基礎。