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

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，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

（蘭州空間技術物理研究所真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

隨著微電子系統、航空、航天及軍工領域儀器設備的高度集成化，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注。然而，對于微細通道內傳熱傳質的機理待深入研究。介紹了微細通道內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（NMES）的快速發展，開展了微尺度流動與傳熱的深入研究，形成了微米-納米傳熱學研究新方向[1]。近年來，隨著現代高新技術的發展，生產、制造、工藝水平的不斷提高以及各行業工程應用的實際需求（尤其是微電子機械系統的冷卻問題），推動了微尺度科學的研究，特別是細微空間尺度流動及傳熱性能的研究，引起了有關技術人員的高度重視。

在航空、航天與軍工領域，大多數儀器設備都是高度集成，其在有限空間內工作時的熱流密度非常高[2]。如某型號飛航導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，要在有限的空間內對各種儀器進行冷卻，并實現對溫度的精確控制，傳統的制冷與溫控方法顯得力不從心[3]。理論研究的深入與現實的需求使得微細通道沸騰換熱技術應用而生，將大尺度沸騰換熱的理論成果與微細通道的特性有機結合起來，成為一種新型的高效換熱方式。重點對微細通道內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、復雜性，對于機理研究一直是眾多學者關注的焦點，但至今尚未達成共識。

Kandlikar等[4-5]認為主導微通道內兩相流流動與傳熱特性，是蒸發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，其對應的雷諾數（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），這是微通道內流動與常規尺度通道內流動明顯的區別。核態沸騰成為微通道內主要的傳熱模式，高壁面溫度是起始成核的必要條件，但同時會導致通道內液體快速蒸發，引起流動的不穩定性，并常常伴有返流現象。起始沸騰的熱流密度隨著微通道水力直徑的減小而增大，核態沸騰開始后，壁面高熱流立即向通道內的氣泡傳遞熱量，使之快速長大并充滿整個通道界面。此外，在大量實驗的基礎上，提出了兩個新的無量綱參數K1、K2，如式（1）。

式中：q為熱流密度；hfg為蒸發潛熱；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，獲得了穩定的流型。結果表明，維持熱流不變，隨著質量流率的減小，進出口壓降先減小后增大；高質量流率時，通道內的流動可以看作單相流，當質量流率減小到某一值時，開始出現沸騰現象。截面含氣率xe=0將通道內的流動分為過冷區和飽和區，如圖1所示。在過冷區換熱系數隨含氣率的增大而增大；在飽和區換熱系數隨含氣率的增大而減小；當含氣率為0時，換熱系數隨著熱流密度的增大而增大；在高截面含氣率（xe＞0.2）的區域，換熱系數與熱流密度無關，只取決于xe，可能是由于通道內出現了局部干涸現象。

Mahmoud等[6]通過實驗獲得了R245fa在微細通道內的流型。采用直徑為1.1 mm的圓形銅管，質量流率100～400 kg/（m2·s），熱流密度3～25 kW/m2。結果表明，通道內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、擾動流和環狀流，增大熱流密度時，只有環狀流最明顯，目前尚無一種模型能夠準確描述所有流型間的轉化過程。

圖1　換熱系數與截面含氣率的關系曲線圖

馬虎根等[8]對非共沸混合工質在石英玻璃微通道內的沸騰換熱進行了可視化實驗。結果表明，在質量流速很低（＜2 m/s）時，管內的流型從開始的彈狀流逐漸發展為環狀流，流速稍微增大后，流型很快轉變為氣狀/霧狀/環狀等形態，且很不穩定，一般為幾種流型同時存在；在高質量流率、低干度時，觀察到管內流型為氣狀流、液狀流交替出現的狀態；在低干度時，出現液霧狀流的時間比出現氣狀流的時間長；逐漸增大進口干度，同時降低質量流率，發現霧狀和氣狀流的界線變得模糊，二者混合向前推移，此時壓力很不穩定；對同一質量流率下不同干度的研究發現，隨著進口干度的增大，通道內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硅微通道內的周期性射流特性。采用低質量流速28～100 kg/（m2·s）及高熱流密度295～690 kW/m2。對高、中、低三種沸騰數（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，每個周期內均出現了兩相流、混沌、推進與流型收縮四個階段。結果表明，Bo數較高的工況下，其周期長度分布的均勻性較差，周期內流動狀態變化不規律，Bo數較低的工況下，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。從而可以得出結論：Bo數越高，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沸騰換熱特性的研究十分關注，尤其對復配制冷劑的研究更為突出。這有助于發現適用性更廣泛的制冷工質；同時也為這一領域的發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，結構尺寸（W×H）為：100 μm×680 μm，長15 mm。工質為R134a，質量流率205～1 000 kg/（m2·s），熱流密度1.57～189 W/cm2。結果表明，微通道內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；換熱系數隨著熱流密度的增大而增大，與質量流率無關，最大值為27 000 W/m2。在無進口過冷度，質量流率為1 000 kg/（m2·s）時，能將芯片溫度控制在85℃以內。

圖3　不同質量流率下換熱系數的變化曲線圖

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，結構尺寸為（W×H）：60 μm×200 μm。質量流率400～980 kg/（m2·s），熱流密度40～700 kW/m2。結果表明，平均傳熱系數受質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時換熱系數最大；通道內壓降隨著質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換熱系數的變化規律。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。質量流率68～172 kg/m2·s，熱流密度16～152 W/cm2，截面含氣率0～1。結果表明，最大傳熱系數出現在通道進口處；在高熱流密度下，換熱系數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混合后在細通道內換熱系數的變化進行實驗。通道直徑3 mm，質量流率300～800 kg/（m2·s），熱流密度1～69 kW/m2。結果表明，混合制冷劑質量流率對換熱系數的影響較熱流密度對換熱系數的影響更大；混合制冷劑傳熱系數與流動特性無關；由于傳質阻力增大，混合制冷劑的傳熱系數較單一制冷劑有所下降。

Hugo等[14]測定了R407C在微通道內的換熱系數。實驗采用0.1 mm×0.5 mm的矩形微通道，質量流率400～1 500 kg/（m2·s），熱流密度310 kW/m2。結果表明，傳熱系數可達30 kW/（m2·℃）；含氣率一定時，平均換熱系數隨著質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的沸騰換熱進行了實驗。通道內徑2 mm，質量流率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℃。結果表明，當干度小于0.5時，換熱系數隨質量流率及飽和溫度的變化很小，當干度大于0.5時，換熱系數隨質量流率及熱流密度的增加均呈增大趨勢；換熱系數隨著飽和溫度的升高略有增大，但增幅較小；換熱系數隨著通道內徑的變小而增大，進一步證實了微細通道結構有利于沸騰換熱。

3　截面形狀的影響

不同截面形狀對微細通道內的流動與換熱狀態影響較大，有學者相繼提出了眾多具有代表性的結構，各具有一定的優缺點。結構的最優化設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的流動。實驗采用29根水力直徑為150 μm的平行微通道，質量流率分別為51、64.5、78、92.6 kg/（m2·s），熱流密度59.3～86.1 kW/m2。結果表明，主要流型為泡狀流和環狀流，但隨著熱流與質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；局部換熱系數隨著熱流密度和質量含氣率的增大而減小，隨著質量流率的增大而增大；管內總壓降隨著熱流密度的增大而增大，隨著質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構微細通道內的流型。選取了橫截面一致的光管、橫截面不同的光管及管內壁分段加肋片三種類型的矩形通道。質量流率400～3 300 kg/（m2·s），熱流密度20～150 kW/m2。結果表明，分段加肋的通道換熱系數比另外兩種通道顯著提高，橫截面不同的光管換熱系數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蒸氣阻塞和返流現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R113的流動情況進行了實驗。通道直徑1～6 mm，質量流率400～3300 kg/（m2·s），熱流密度20～150 kW/m2，進口干度為0～0.1。結果表明，相同實驗參數下，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；平均換熱系數隨著干度的增大先增大后減小，極大值出現在干度為0.7左右。

張小艷等[19]通過實驗對R417A在水平光滑管和內螺紋管內的沸騰換熱作了對比。結果表明，保持熱流密度不變，換熱系數都隨質量流率的增大而增大，且隨著質量流率的增大，換熱系數出現最大值時對應的干度越小；干度較小時，熱流密度對換熱系數的影響不大；在光滑管內，換熱系數最大值對應的干度為0.5～0.8；隨著熱流密度和質量流率的減小，內螺紋管內換熱系數出現最大值時對應的干度有所增大，如圖4所示。

圖4　不同質量流速時光滑管內換熱系數隨干度的變化

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。進口質量流速為3 m/s，進口溫度為298 K，熱流密度為500 W/cm2。結果表明，V型通道具有低熱阻、低質量流率、體積小和高效率等明顯優勢；進出口溫差和壁面熱阻都隨質量流率的增大而減小；保持質量流速不變，體積流率隨著入口面積成比例增大，但同時熱阻也增大，這將導致進出口溫差減小，即冷卻效果變差。

圖5　不同質量流速內螺紋管換熱系數隨干度的變化

4　總結與展望

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

（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流動與換熱的規律[21]。由于微細通道結構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，只能通過測量相關參數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學描述能解釋微細通道內復雜的沸騰傳熱、傳質過程，無論實驗還是數值模擬所得經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，有些方面甚至出現了相反的結論。因此，今后應該進一步明確微細通道內沸騰現象與常規尺度下的區別，通過實驗與數值模擬相結合的手段，對影響微細通道內流動與換熱的因素進行系統分析，嘗試建立相應的數據庫，對各種因素間的相互關系進行深入探討，在此基礎上建立描述微細通道內流動沸騰的公式；

（2）不同制冷劑在微細通道內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用的需要，近年來復配制冷劑引起了許多學者的重視，復配制冷劑較單一制冷劑具有更好的制冷效果。今后復配冷劑將是這一領域研究的熱點之一。這有助于發現性能更優良的替代制冷劑；同時也可以積累相關實驗數據，嘗試建立適用性更廣泛的關聯式，推動微細通道換熱機理的研究；

（3）微細通道結構的優化設計。不同截面形狀對微細通道內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，采用內螺紋管或在管內壁加肋片較常規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，探討更多不規則結構微細通道內的流動沸騰特性，分析不同結構下微細通道流動沸騰的特點，同時比較不同管排方式的優缺點，為今后實際應用打下堅實的基礎。

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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研究。E-mail：853601824@qq.com。