螺旋通道內流動沸騰傳熱研究進展

林清宇，吳佩霖，馮振飛，艾鑫，黃魁，李歡

（1 廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；2 廣西大學廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室，廣西南寧530004；3 廣西大學資源環(huán)境與材料學院，廣西南寧530004）

近年來隨著核聚變、航空航天及微機電系統(tǒng)等先進技術的高速發(fā)展，換熱設備的工作溫度正在不斷提高。高熱通量下設備的散熱問題嚴重制約著這些先進技術的進一步發(fā)展，單相的螺旋通道強化傳熱技術已難以滿足如此高的散熱要求。由此，學者們開始探索螺旋通道和相變傳熱相結合的復合強化傳熱技術，以滿足上述要求。相變傳熱可分為凝結傳熱和沸騰傳熱。本綜述主要關注的是螺旋通道內流動沸騰傳熱研究。

螺旋通道因其結構緊湊、相同體積下傳熱面積大、傳熱效率高等優(yōu)點被廣泛應用于制冷、電力、化工、航空、核工業(yè)等行業(yè)[1]。與直通道相比，螺旋通道特有的螺旋結構使流體在管內流動時，能產(chǎn)生垂直于主流流動方向的二次流。這種二次流能減薄邊界層的厚度，增大冷熱流體的混合程度，從而強化傳熱[2-4]。因此，學者們分別從不同的結構參數(shù)和不同的操作參數(shù)等方面對螺旋通道內的沸騰傳熱特性進行了研究。Owhadi等[5]是最早一批對螺旋通道內水的流動沸騰傳熱進行實驗研究的科研人員。隨后，諸多學者[6-9]紛紛對螺旋通道內的流動沸騰傳熱展開了研究，并取得了一些重要的研究成果。表1匯總了部分螺旋通道內流動沸騰傳熱文獻及提出的相關關聯(lián)式。

表1 部分螺旋通道沸騰傳熱文獻主要結論及關聯(lián)式總結

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

由于流動沸騰傳熱本身就是一種伴有相變和兩相流動的復雜傳熱過程，而且流體在螺旋通道內的流動時還要受二次流的影響，因此螺旋通道中傳熱過程比直通道中要復雜得多。雖然對于螺旋通道內的流動沸騰傳熱研究已有一些進展，但仍存在一些亟待解決的問題，目前對于螺旋通道內流動沸騰傳熱機理和規(guī)律的研究仍在不斷發(fā)展和更新中。經(jīng)統(tǒng)計，在SCI 數(shù)據(jù)庫中以“helical”與“flow boiling”為關鍵詞在主題中進行檢索，其檢索結果如圖1所示。由圖可知，雖然關于螺旋通道內流動沸騰傳熱的公開文獻整體數(shù)量較少，但其數(shù)量基本上呈逐年增加的趨勢。這說明螺旋通道內的流動沸騰正逐漸受到學者們的關注。

目前已有一些公開發(fā)表的關于螺旋通道內單相流動和傳熱的綜述性文章[1,24-25]，但是對螺旋通道內流動沸騰傳熱進行總結的文章鮮見報道。本文主要對近年來螺旋通道的流動沸騰傳熱研究進展進行了總結歸納，并提出了今后的研究方向，希望對今后的研究者有一定的幫助。

圖1 SCI數(shù)據(jù)庫中關于螺旋通道沸騰文獻的檢索結果

1 常規(guī)尺度螺旋通道內流動沸騰傳熱特性

1.1 以水為工質的流動沸騰傳熱

根據(jù)以往的研究表明，學者們普遍比較關注系統(tǒng)參數(shù)對螺旋通道內流動沸騰傳熱特性的影響以及螺旋通道內的臨界工況。這是因為影響兩相流動形態(tài)的參數(shù)過多，單一參數(shù)的變化都有可能使沸騰傳熱特性和沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生改變。

1.1.1 傳熱性能的影響因素

不同于直通道，螺旋通道內的工質會受離心力影響產(chǎn)生二次流，這導致管內局部傳熱系數(shù)及壁溫分布并不均勻。白博峰等[26]對臥式螺旋通道內水的流動沸騰傳熱進行了實驗研究。結果發(fā)現(xiàn)，相較于下降區(qū)段，上升區(qū)段中近壁區(qū)的汽泡具有向外擴散的傾向，增加了液膜擾動，強化了熱量的傳遞。因此上升區(qū)段的傳熱系數(shù)大于下降區(qū)段的傳熱系數(shù)。作者還對螺旋通道各側壁溫進行了測量，結果發(fā)現(xiàn)管內側壁溫最高，外側壁溫最低。此實驗結果表明，螺旋通道獨特的結構使得其內部沸騰傳熱情況與直通道的有差異，這意味著影響螺旋通道傳熱系數(shù)的因素也可能與直通道的不同。

為探究影響螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)的因素，首先要了解沸騰傳熱的機理，進而探究各系統(tǒng)參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響。通道內沸騰傳熱的機理主要分核態(tài)沸騰及對流沸騰兩種。核態(tài)沸騰時，熱量的傳遞主要通過氣泡在通道內的核化、生長、分離傳遞；對流沸騰時，熱量主要通過液體在通道壁面的蒸發(fā)傳遞。Theofanous 等[27]對直通道流動沸騰中傳熱系數(shù)隨操作參數(shù)變化的研究結果表明，核態(tài)沸騰狀態(tài)下提高熱通量可使通道內成核點增加，因此核態(tài)沸騰的傳熱系數(shù)受熱通量影響較大，此時質量流率及干度對傳熱系數(shù)影響不大；而對流沸騰時換熱系數(shù)受熱通量影響較小，受質量流率及干度影響較大。許多學者也基于螺旋通道對此進行了實驗研究，并得出了與Theofanous 相同的結論。Zhao 等[7]對小型臥式螺旋通道內水的沸騰傳熱特性進行了實驗研究。其研究發(fā)現(xiàn)，強制對流傳熱和核態(tài)沸騰機制均對流動沸騰傳熱有重要的影響。在給定熱通量下，沸騰傳熱系數(shù)先隨干度的增加而增加，當干度越過0.4～0.6區(qū)域時，沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增加而減小。Hwang等[19]研究了低質量流率下螺旋通道內水的沸騰換熱特性。其研究結果表明，沸騰傳熱系數(shù)受干度的影響較小，實驗范圍內核態(tài)沸騰傳熱機制顯著強于對流傳熱機制。表1中許多文獻換熱系數(shù)隨操作參數(shù)的變化規(guī)律并不相同，這往往是由于試驗段尺寸及工況不同造成管內沸騰機理不同導致的。

眾所周知，操作壓力的改變會改變水的汽化潛熱等物性，這會影響螺旋通道的沸騰傳熱，上述文章均未考慮操作壓力對傳熱系數(shù)的影響。因此，Chung 等[9]研究了不同壓力條件下立式螺旋通道內水的沸騰換熱特性。其研究發(fā)現(xiàn)，壓力大小對流動沸騰傳熱有顯著影響，沸騰傳熱系數(shù)隨壓力的增加而增加；但在低加熱功率和低質量流率下，壓力對傳熱系數(shù)的影響并不顯著，分析這可能是由于離心力相對較小所導致的。除Chung等外，Hwang等[19]、Xiao 等[22]和Santini 等[28]也研究了壓力對螺旋通道內沸騰換熱特性影響。Hwang等同樣發(fā)現(xiàn)沸騰傳熱系數(shù)隨著壓力的增大而增大。Hwang等認為，這是由于其實驗屬于核態(tài)沸騰占主導地位，壓力的增大將引起介質表面張力和介質過熱度等物性相應發(fā)生變化，從而導致最小核化半徑的減小和核態(tài)沸騰傳熱效率的增加。Xiao等也在其實驗中發(fā)現(xiàn)，過冷沸騰段和飽和核態(tài)沸騰段的傳熱系數(shù)均隨壓力的增大而增大。但與Hwang等不同的是，Xiao等發(fā)現(xiàn)當干度大于0.2 時，飽和段的沸騰傳熱系數(shù)隨壓力的增大而減小，作者認為這是由于干度大于0.2 時，實驗中對流蒸發(fā)傳熱占主導地位，增大壓力則意味著增大氣相介質的密度，從而使介質的流速降低，進而影響對流蒸發(fā)強度，最終導致傳熱系數(shù)的降低。Santini 等的實驗則發(fā)現(xiàn)，在高壓條件下，傳熱系數(shù)幾乎不再受干度的影響，這表明此時對流傳熱效應對傳熱的影響幾乎可以忽略不計。他認為這是由于高壓使得氣體密度較低壓時更高，進而對介質的流動產(chǎn)生了阻礙作用，最終使得非沸騰區(qū)的對流傳熱效應遭到削弱。

除了操作參數(shù)以外，學者們也十分關注結構參數(shù)對沸騰傳熱系數(shù)的影響。眾所周知，流體在螺旋通道中流動會受到離心力的影響。根據(jù)離心力公式Fc=mv2/R可知，螺旋通道中流體所受離心力Fc會隨著質量m、速度v 的增加而增加；會隨著螺旋直徑R的減小而增加，而離心力大小的改變又會影響螺旋通道內二次流的強弱。Jayakumar 等[29]研究了螺旋通道中氣-水兩相流的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)隨著通道內徑的增加與螺旋直徑的增加，傳熱系數(shù)分別增大與減小。這說明結構參數(shù)的改變會影響兩相流傳熱特性，因此有必要討論結構參數(shù)的改變對螺旋通道內沸騰傳熱的影響。劉尚華等[30]研究了螺旋直徑對螺旋通道內沸騰換熱的影響。研究結果表明二次流強度隨螺旋直徑的減小而增加，螺旋直徑最小的通道進出口壁面溫差最大。Hardik等[31]研究了螺旋通道內直徑比D/d（D 表示螺旋直徑，d 表示通道內徑）等參數(shù)對沸騰傳熱系數(shù)的影響。研究結果表明在實驗中的通道內，外側機理為對流沸騰，內側機理為核態(tài)沸騰。直徑比的增加會使外側沸騰傳熱系數(shù)減小，內側傳熱系數(shù)增加。這說明減小螺旋直徑比可增強對流沸騰機理下通道的沸騰傳熱系數(shù)。周云龍等[12]對高壓下螺旋通道內對流沸騰機理下沸騰傳熱特性進行了探究，結果表明相同條件下螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)均高于直通道，認為結構參數(shù)的改變會影響沸騰傳熱系數(shù)，直徑比的增加會使沸騰傳熱系數(shù)減小。但也有一些學者發(fā)現(xiàn)，結構參數(shù)的改變并未影響螺旋通道傳熱系數(shù)。Hwang等[19]通過改變螺旋直徑探究了結構參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響。研究結果表明，螺旋直徑的減小對沸騰傳熱系數(shù)影響不大，認為這是由于實驗中核態(tài)沸騰機理占主導地位，二次流增強引起的對流沸騰增強不足以影響總體沸騰傳熱系數(shù)。Kong等[20]研究了螺距對螺旋通道傳熱系數(shù)的影響。實驗結果表明，保持其他條件不變將螺旋通道螺距從120mm減小到40mm，螺旋通道的沸騰傳熱系數(shù)平均只減小了5.9%。因此，Kong等認為螺距對螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)的影響可以忽略。Owhadi等[5]的實驗結果也表明結構參數(shù)并未影響沸騰傳熱系數(shù)。這說明不同工況下螺旋通道結構參數(shù)對沸騰傳熱系數(shù)的影響不同。

綜合上述研究結果表明，質量流率、壓力、干度、螺旋直徑等系統(tǒng)參數(shù)對流動沸騰傳熱規(guī)律有著重要影響，但影響的程度取決于實驗條件下的工況。

1.1.2 傳熱系數(shù)關聯(lián)式

許多學者基于自己的實驗數(shù)據(jù)提出了傳熱系數(shù)關聯(lián)式并與其他學者提出的關聯(lián)式進行對比，旨在提出預測精準且適用范圍廣的關聯(lián)式，以便給實際應用提供參考。表1中匯總了部分螺旋通道的傳熱系數(shù)關聯(lián)式。Zhao等[7]將其傳熱系數(shù)實驗值分別與Chen等[32]、Kozeki等[11]和Schrock-Grossman等[6]提出的經(jīng)典直通道及螺旋通道傳熱關聯(lián)式預測值進行了對比研究，其中Schrock-Grossman關聯(lián)式的預測值精確度最高，Zhao等認為這可能是該關聯(lián)式引入了沸騰數(shù)（Bo）的緣故。根據(jù)該關聯(lián)式，Zhao 等提出了修正后的Schrock-Grossman傳熱關聯(lián)式。隨后，Hwang 等[19]通 過 對Chen 等[32]、Zhao 等[7]和Steiner-Taborek[33]沸騰傳熱關聯(lián)式的對比研究，發(fā)現(xiàn)Steiner-Taborek 關聯(lián)式對其實驗得出的傳熱系數(shù)預測最為準確，大部分預測值誤差在20%以內。作者認為這是由于Steiner-Taborek關聯(lián)式較為合理地預測了流動沸騰中核態(tài)沸騰傳熱向對流傳熱過渡的相對變化趨勢，從而使得該關聯(lián)式對本次實驗的沸騰傳熱系數(shù)預測更為準確。

相對于Zhao 等研究的小型臥式螺旋通道，Santini等[28]則研究了核反應器內的大型螺旋通道內水蒸氣-水沸騰換熱特性。同文獻[5-7]一樣，Santini同樣認為部分經(jīng)典的直通道沸騰傳熱系數(shù)關聯(lián)式亦能運用于大型螺旋通道。作者將傳熱系數(shù)實驗值同部分經(jīng)典的傳熱關聯(lián)式預測值進行了對比研究發(fā)現(xiàn)，其誤差均在15%～20%內。基于此，作者認為在低質量流率和低熱通量下，螺旋通道曲率對螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)影響可以忽略不計。

Shah 等[34]利用已發(fā)表的螺旋通道沸騰試驗數(shù)據(jù)，建立了一個數(shù)據(jù)庫，將每組數(shù)據(jù)分別代入Chen 等[35]、Zhao 等[7]、Wongwises 等[13]、Gungor 等[36]提出的直通道及螺旋通道關聯(lián)式并對平均相對誤差進行了比較。研究結果表明，基于螺旋通道提出的關聯(lián)式適用范圍較小。其中Wongwises 等[13]的關聯(lián)式平均相對誤差超過1000%，Chen等[35]提出的關聯(lián)式平均相對誤差為56.8%，Zhao 等[7]提出的關聯(lián)式平均相對誤差最小，也有31.5%；而直通道沸騰傳熱關聯(lián)式對實驗值的預測相對精準。Shah 等認為這是由于上述螺旋通道關聯(lián)式都基于作者自己的實驗數(shù)據(jù)得出，數(shù)據(jù)量偏小，因此適用范圍較小。

上述學者的研究結果表明，與現(xiàn)有螺旋通道傳熱關聯(lián)式相比，部分經(jīng)典直通道傳熱關聯(lián)式可更精準的預測螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)。但也有一些學者[33,36]指出直通道關聯(lián)式預測螺旋通道傳熱系數(shù)的不足：由于螺旋通道沸騰傳熱性能優(yōu)于直通道，直通道沸騰傳熱關聯(lián)式在預測螺旋通道傳熱系數(shù)時數(shù)值會較實驗值偏低。因此，適用廣泛、預測精準的螺旋通道沸騰傳熱關聯(lián)式還有待研究。

1.1.3 臨界工況與沸騰臨界現(xiàn)象

流動沸騰中的臨界工況表現(xiàn)在沸騰臨界現(xiàn)象（脫離核態(tài)沸騰、燒毀、干涸、沸騰危機等）的出現(xiàn)。沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生時常常會伴隨著傳熱系數(shù)的急劇下降，這不僅會惡化傳熱，還會影響換熱器的安全性能。提高臨界熱通量（critical heat flux）或臨界干度（dryout quality）等臨界工況可避免或推遲沸騰臨界現(xiàn)象的發(fā)生，換熱時就可以提高允許的最高熱通量，或允許在相同換熱性能的前提下選用結構更緊湊的換熱器。因此許多學者對臨界工況進行了研究，但研究大多基于直通道。Marathe 等[37]基于直通道提出了一種臨界干度預測模型，在文中臨界干度被定義為兩相傳熱系數(shù)達到峰值時對應的干度，預測的數(shù)值基于兩相傳熱系數(shù)的計算。但Niu等[38]認為該模型忽略了重力對環(huán)形液膜的影響，僅適用于預測質量流率較高下的直通道，并不適用于螺旋通道。作者認為螺旋通道發(fā)生沸騰臨界現(xiàn)象是由于環(huán)形流態(tài)下液滴夾帶與液膜蒸發(fā)造成的液膜質量流率減小引起的，沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生在液膜質量流率為0 的點。基于此種模型，作者討論了壓力、質量流率、熱通量和螺旋線圈直徑對臨界干度的影響。結果表明，壓力、質量流率、熱通量和螺旋直徑的增大都會導致臨界干度的下降。然而學者們在研究質量流率及系統(tǒng)壓力對臨界工況的影響時得出的結論并不統(tǒng)一，表2匯總了部分文獻的實驗結果。為了探究臨界干度，Hwang等[19]在Berthoud等[10]的基礎上提出了新臨界工況分布，如圖2所示。Hwang等根據(jù)發(fā)生干涸時的主導因素將分布圖分為重力主導區(qū)、夾帶主導區(qū)及再沉積主導區(qū)，圖的橫坐標為作用于氣相和夾帶液滴上的離心力，縱坐標為液體雷諾數(shù)。Hwang等通過分析實驗結果發(fā)現(xiàn)臨界干度隨質量流率的增加而增加，他認為這是由于重力在實驗中起了主導作用：質量流率的減小引起二次流減弱，這會使液體的再沉積減弱從而影響臨界干度。與Hwang 等不同的是Niu 等[38]只研究了夾帶與沉積主導區(qū)，而未對重力主導區(qū)域進行探究。Niu等認為臨界干度隨系統(tǒng)參數(shù)變化會產(chǎn)生改變是由于液體夾帶率與再沉積率之間的競爭，隨著質量流率的增加夾帶率的增速大于再沉積率，因此臨界干度會降低。兩人對質量流率探究得出的相反結果說明在不同的因素主導區(qū)域內系統(tǒng)參數(shù)對臨界工況的影響并不相同。Hardik等[41]對低壓條件下螺旋通道內水的臨界工況進行了研究，結果表明臨界熱通量隨質量流率增加。但Hardik 等的數(shù)據(jù)在臨界工況分布圖中分布在y 值為60～512 范圍，遠超于分布圖適用范圍（0＜y＜32），因此無法與其他兩位學者的實驗結果對比分析。

表2 不同系統(tǒng)參數(shù)的增加對臨界干度的影響

圖2 Hwang等［19］提出的臨界工況分布

以上文獻中關于質量流率對臨界工況的影響并沒有定論，除此之外也很少有文獻涉及曲率等結構參數(shù)對臨界工況的影響，這些問題都有待學者們進行實驗探究。

還有許多學者對發(fā)生沸騰臨界現(xiàn)象時出現(xiàn)的干涸點分布進行了實驗探究，張文斌等[42]研究了低質量流率下立式螺旋通道傳熱惡化的問題，其研究結果發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)沸騰臨界現(xiàn)象時，螺旋通道外壁壁溫會呈現(xiàn)出A形和M形分布。對于A形分布，作者認為：在二次流的作用下，螺旋通道截面會形成如圖3所示的兩個對稱的漩渦，此時90°和270°處的液膜最薄，這兩處壁溫理應最高，而由于受重力的影響，因此實驗的螺旋通道截面壁溫最高出現(xiàn)在90°和225°處。而M 形分布的最高壁溫則出現(xiàn)在180°處，這是因為在較高流速下，180°處的液膜最容易被撕裂，在離心力影響下，撕裂的液滴被甩向截面外側0°處。

圖3 張文斌等［42］提出的螺旋通道流場

毛宇飛等[14]對螺旋通道內高壓水蒸氣-水兩相流動沸騰的干涸點進行了研究，其研究結果發(fā)現(xiàn)，螺旋通道截面最高壁溫出現(xiàn)在180°處，這與張文斌等[42]發(fā)現(xiàn)的M形壁溫分布類似。除此之外，作者還發(fā)現(xiàn)實驗中飽和水的密度因壓力的增大而減小，進而引起液膜的表面張力和穩(wěn)定性減小，從而使得液膜比低壓時更容易被撕破，這造成臨界干度隨壓力的增大而減小，這與Hwang 等[19]、Niu 等[38]得出的結論保持一致。

1.2 以制冷劑為工質的流動沸騰傳熱

制冷劑由于其優(yōu)良的熱力學性能及熱物理特性在低溫制冷工程等涉及相變傳熱的領域中有著重要應用。長時間以來，R11、R12 等氟利昂作為制冷工質在蒸發(fā)器、中冷器等換熱設備中被廣泛使用。然而，隨著臭氧層被破壞以及全球溫室效應的加劇，這些原先在制冷空調系統(tǒng)中廣為使用制冷劑，逐 漸 被R22、R123 等HCFC 類 物 質 與R134a、R407c 這類環(huán)境友好型的制冷工質所取代。Kang等[43]是最早對螺旋通道內代替制冷劑的冷凝傳熱進行實驗研究的學者，隨后陸續(xù)有其他學者展開了對螺旋通道內不同代替制冷劑的沸騰傳熱研究。

1.2.1 傳熱性能的影響因素

由于制冷劑與水的物性并不相同，在以制冷劑為工質的流動沸騰文獻中，學者們也十分關注沸騰傳熱系數(shù)的變化。Wongwise等[13]研究了干度對立式螺旋換熱管內R134a的流動沸騰換熱的影響，其研究結果發(fā)現(xiàn)：沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增加而增加、質量流率對傳熱系數(shù)有著顯著的影響，特別是在高干度區(qū)。隨后，邵莉等[17,44]對臥式螺旋通道內R134a的流動沸騰傳熱特性進行了可視化研究。基于所觀測到的流型，作者發(fā)現(xiàn)，低干度時的流型為間歇流或分層流，屬于核態(tài)沸騰占主導；而高干度時，由于流型為環(huán)狀流型，此時屬于對流傳熱機制占主導。實驗結果在操作參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響上與Wongwise 等[13]一致。在Hardik 等[45]以R123 為工質的研究中，也發(fā)現(xiàn)干度對對流沸騰機理下沸騰傳熱系數(shù)影響較大；對核態(tài)沸騰機理下沸騰傳熱系數(shù)影響較小。以上結果表明，系統(tǒng)參數(shù)在兩種機理下對沸騰傳熱特性的影響并未隨工質發(fā)生改變。此外，Hardik等還對水與R123a的傳熱性能進行了比較，結果表明與水相比R123a沸騰傳熱系數(shù)周向變化較小。宋尚銳[46]對比了相同條件下R407c 與R134a 在螺旋通道內流動沸騰傳熱時壁溫分布特性，結果表明R407c工質外壁溫隨管長未出現(xiàn)明顯上升，R134a外壁溫隨管長明顯減小，認為這是由于R407c為非共沸混合制冷劑，其組分之間存在著一定的溫度滑移特性。冀翠蓮[47]也得出了與宋尚銳相同的結論，除此之外作者還發(fā)現(xiàn)螺旋管內R417a傳熱系數(shù)高于R403c。

許多學者的研究結果表明[48-49]，可通過在直通道中加入微肋或凹槽等方法增加核態(tài)沸騰成核位點從而提升直通道的沸騰傳熱系數(shù)，但鮮有探究更改螺旋通道內部結構從而強化沸騰傳熱的文獻。崔文智等[8,50-51]率先對三維微肋螺旋通道內R134a的流動沸騰傳熱特性進行了實驗研究。其研究結果發(fā)現(xiàn)，三維微肋螺旋通道的傳熱效果顯著強于光滑螺旋通道，這是因為三維微肋的表面結構不僅增強了邊界層的擾動，強化了對流傳熱，而且還增加了傳熱面積，使汽化核心的數(shù)量大大增加，強化了核態(tài)沸騰。作者還發(fā)現(xiàn)，干度大于0.3 時，由于汽相已占據(jù)螺旋通道截面積的80%以上，此時因離心力導致的二次流強化傳熱作用較弱。因此，三維內肋螺旋通道在低干度時的強化傳熱效果更好。此外，在Klimenko[52-53]的理論基礎之上，作者將適用于螺旋通道的迪恩數(shù)（Dn）引入沸騰傳熱關聯(lián)式，提出了一種適用于三維微肋螺旋換熱管內R134a的流動沸騰的傳熱關聯(lián)式。在崔文智等[8,50-51]的基礎上，李隆鍵等[54]對三維微肋的螺旋通道內R134a的流動沸騰換熱進行了進一步的研究，其研究結果表明，肋高較大的微肋螺旋通道強化表面性能更強，相對于光滑螺旋通道，其沸騰強化傳熱比可達1.4～2.2。

1.2.2 臨界工況與沸騰臨界現(xiàn)象

由于水的比熱容和汽化潛熱比制冷劑大得多，在常規(guī)尺度通道內研究以水為工質的臨界工況時需要很大的加熱功率，這對實驗設備及場地都提出了很高的要求。已有文獻證實[55]通過使用基于相似理論提出的CHF流體模化技術可以用R134a等氟利昂工質代替水進行臨界工況研究，從而減少成本、降低實驗難度。因此許多學者以制冷劑為工質研究了螺旋通道的臨界工況。

沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生時伴隨的壁溫飛升現(xiàn)象會嚴重影響設備安全，為此一些學者對此進行了探究。Chen 等[15,56]對臥式螺旋換熱管內R134a 流動沸騰的臨界工況進行了研究。其研究結果發(fā)現(xiàn)，隨著入口干度和質量流率的增大，CHF 分別呈現(xiàn)出減小和增大的趨勢。其次，在沸騰臨界現(xiàn)象出現(xiàn)后，若此時出口干度較高，螺旋通道的壁溫有時會緩慢上升，甚至是一定程度的減小。這意味著穩(wěn)定干涸區(qū)域內，螺旋通道壁溫飛升的現(xiàn)象消失，加熱設備不會立即被燒壞。而當出口干度較低時，由于殘余液相在螺旋通道內的間歇性再濕潤，會導致壁溫則隨壓力波呈穩(wěn)定的上下波動狀態(tài)。冀翠蓮等[57]對臥式螺旋換熱管內R134a流動沸騰傳熱惡化特性及其判斷準則進行了研究。其研究結果發(fā)現(xiàn)，入口干度小于0.65時，螺旋通道截面外側壁溫低于內側；入口干度在0.65～0.75時，在氣相夾帶和離心力共同作用下，外側液膜首先蒸干變薄，從而引起壁溫的飛升及干涸的發(fā)生；當入口干度在0.75～0.85時，內側最先發(fā)生干涸，外側最后發(fā)生干涸。以上實驗說明高出口干度下螺旋通道的沸騰臨界現(xiàn)象與低出口干度下的并不相同。

為探究壓力對沸騰臨界現(xiàn)象的影響，Tan 等[21]研究了近臨界壓力區(qū)臥式螺旋通道內R134a的沸騰換熱特性。其研究結果發(fā)現(xiàn)，在臨界壓力區(qū)附近，干涸現(xiàn)象（dry-out，DO）的臨界工況通常發(fā)生在低壓區(qū)，此時，螺旋通道截面內側壁溫飛升，其余截面壁溫緩慢上升；而脫離核態(tài)沸騰（departure from nucleate boiling，DNB）的臨界工況則通常發(fā)生在高壓區(qū)，此時，螺旋通道截面各側壁溫同時飛升。此外作者還發(fā)現(xiàn)，在接近臨界壓力區(qū)的附近，存在一個恒定壓力值，該壓力值會導致螺旋通道壁溫飛升的現(xiàn)象消失，且這一現(xiàn)象幾乎不受熱通量和過冷度的影響，但作者并未對此現(xiàn)象做進一步的解釋說明。

還有一些學者研究了螺旋通道結構參數(shù)對臨界工況的影響。Berthoud 等[10]探究了螺旋直徑對臨界工況的影響，結果表明螺旋直徑主要通過影響再沉積過程影響臨界工況：夾帶液滴所受的離心力會隨螺旋直徑的減小而增大，這會引起再沉積速率增大從而導致臨界干度增大。由于螺旋通道影響臨界工況的結構參數(shù)較多，Chen等[58]提出了當量幾何結構參數(shù)Dn，其關聯(lián)式為式(1)。

式中，Ln為有效加熱長度；Dc為螺旋直徑；di為螺旋內徑；Pt為螺距；n 的值由實驗確定。冀翠蓮等[59]研究了Dn對螺旋通道臨界工況的影響。實驗結果表明CHF 隨Dn的增大而減小，但當Dn增大到某一數(shù)值之后其對CHF的影響變得不明顯。

此前學者們提出的經(jīng)典流體模化模型多基于直通道或棒狀等簡單通道[58,60]，譚魯志等[61]研究了臥式螺旋通道臨界熱通量的流體模化，探究了經(jīng)典模化模型是否適用于螺旋通道。其實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于臥式螺旋通道CHF 的流體模化，Ahmad 模型與Katto 模型均會產(chǎn)生較大的偏差。實驗發(fā)現(xiàn)，Ahmad 模型和Katto 模型的預測值都相對偏高，且質量流率與壓力的改變也會對預測偏差產(chǎn)生影響。總體而言，Katto模型的預測偏差要小于Ahmad模型。

綜合上述研究結果表明，對螺旋通道內制冷劑流動沸騰傳熱臨界狀態(tài)的研究至關重要。但研究者對螺旋通道內除R134a以外的代替制冷劑工質的強化流動沸騰以及臨界工況的流體模化的探索研究還較少，這方面的研究需進一步加強。

1.3 其他工質的流動沸騰傳熱

目前，學者們進行螺旋通道中沸騰傳熱研究時工質大多選擇制冷劑與水，而對其他工質的沸騰傳熱研究較少。王淑香等[18]對CO2在立式螺旋管內流動沸騰換熱的實驗進行了研究，其研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱通量的增加，局部平均傳熱系數(shù)隨干度的變化表現(xiàn)出3種不同的趨勢。作者認為，由熱通量增加引起的沿程核態(tài)沸騰強度的變化以及局部干涸現(xiàn)象的發(fā)生是導致這種現(xiàn)象的主要原因。在高干度區(qū)，由于壁面干涸和再潤濕作用，CO2在螺旋管內的換熱系數(shù)也隨之波動，而質量流速的增大所引起的離心力效應使得周向方向的液體重新分布，從而使換熱系數(shù)的波動幅度得到了減小。萬星晨等[62]研究了螺旋通道內丙烷的沸騰傳熱特性，作者將實驗得到的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)與直管沸騰換熱關聯(lián)式進行了比較，結果表明螺旋管內流動沸騰換熱換熱性能優(yōu)于直管。

2 微細尺度螺旋通道內流動沸騰傳熱特性

在微機電系統(tǒng)中，微電子器件工作時的熱通量常常可達100W/cm2以上，傳統(tǒng)微通道散熱技術已難以滿足如此高的換熱需求[63]，因此必須對此類微通道冷卻技術加以改進。隨著近年來微加工技術的不斷發(fā)展，使得一些原本難以制造且具有復雜外觀的微通道模型變成了可能。Kandlikar[64]根據(jù)非圓形通道水力直徑Dh定義Dh＜200μm的通道為微通道，200μm＜Dh＜3mm的通道為細通道。螺旋微細通道由于其所需空間小、單位面積換熱量高等因素逐漸受到了人們的關注，因此探究微細螺旋通道中的沸騰換熱特性顯得尤為重要，但相關研究卻十分罕見。

由于作者水平有限，并未在數(shù)據(jù)庫中檢索到微細螺旋通道內以水為工質的沸騰傳熱研究文獻，檢索到的相關文獻工質均為制冷劑。Elsayed 等[16]研究了微型直徑立式螺旋換熱管內R134a流動沸騰換熱特性。其實驗為分別采用了內徑為2.8mm、2mm、1.55mm、1.1mm的微細螺旋管。其研究結果發(fā)現(xiàn)，干度小于0.4 時，質量流率對傳熱系數(shù)的影響可以忽略不計；而干度大于0.6 時，傳熱系數(shù)隨著質量流率的增加而增加。此外，通過對比不同內徑的螺旋通道沸騰實驗結果，作者發(fā)現(xiàn)，減小螺旋通道內徑能使換熱效率最多提高約63%，但同時干涸現(xiàn)象也提前發(fā)生了。此結論表明微細螺旋通道發(fā)生干涸現(xiàn)象時臨界工況低于常規(guī)尺度螺旋通道。除此之外，由于微細螺旋通道存在尺度效應，表面張力取代了重力的支配作用，因此臨界工況受系統(tǒng)參數(shù)變化產(chǎn)生的影響可能會與常規(guī)尺度通道不同，常規(guī)通道臨界工況關聯(lián)式能否適用微細通道也不得而知。這些問題都有待學者進行探究，但目前研究微細螺旋通道中臨界工況的文獻十分罕見。

王林等[65]對內徑為2.5mm微型螺旋通道蒸發(fā)器R134a的流動沸騰換熱特性進行了實驗研究，研究發(fā)現(xiàn)在低干度區(qū)，螺旋通道內核態(tài)沸騰伴隨有單相對流換熱，管內換熱系數(shù)隨著干度的增加而較快地增加，從而直接影響到總傳熱系數(shù)的增加。隨著干度的增加，核態(tài)沸騰起主導地位，干度對管內換熱系數(shù)的影響不明顯，換熱量和對數(shù)平均溫差的綜合影響使得總傳熱系數(shù)隨著干度的增加而降低。Oh等[66]以R134a 等物質作為工質對內徑為0.5mm、1.5mm、3mm的螺旋通道進行了沸騰傳熱研究，探究了系統(tǒng)參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響，實驗結果與Elsayed等[16]、Chen等[35]和Wongwise等[13]得出的結果一致。上述研究說明質量流率、干度、熱通量在微細螺旋通道核態(tài)沸騰及對流沸騰機理下對沸騰傳熱系數(shù)的影響與相同機理下對常規(guī)尺度螺旋通道的影響相同。除此之外，與Elsayed 等[16]相同，Oh 也發(fā)現(xiàn)同工況下內徑小的螺旋通道傳熱系數(shù)要高于內徑較大的螺旋通道，這說明微細螺旋通道的沸騰傳熱效果要優(yōu)于常規(guī)尺度螺旋通道。

3 結語與展望

結合現(xiàn)有文獻不難發(fā)現(xiàn)，螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)高于直通道，在許多領域應用前景廣泛。根據(jù)學者們之前的探究結果，可以得出以下結論：研究結果表明操作參數(shù)、結構參數(shù)及內部結構等因素均會影響傳熱系數(shù)及臨界工況，但在不同工況下影響不同。許多學者基于自己的實驗結果提出了螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)關聯(lián)式，但研究結果表明大部分關聯(lián)式適用范圍較小。為了探究不同機理下系統(tǒng)參數(shù)對臨界工況的影響Hwang[19]提出了臨界工況分布圖，但由于該圖適用范圍較小導致不能比對所有學者的研究結果。

由于流動沸騰傳熱是一種伴有相變和兩相流動的復雜傳熱過程，而螺旋通道內的流動沸騰傳熱還要受離心力和二次流的影響，其傳熱過程比直通道要復雜得多。因此螺旋通道內的流動沸騰傳熱研究仍存在一些亟待解決的問題。今后學者們若進行此類研究，可以從以下幾個方面開展。

（1）對螺旋通道內的強化沸騰傳熱的研究，如納米流體在螺旋通道內流動沸騰下的傳熱機理及其穩(wěn)定性研究。納米流體是近年來學者們重點研究的傳熱工質之一，其優(yōu)越的傳熱性能和尺度效應是其受到學者們追捧的主要原因。納米流體在傳熱過程中是否穩(wěn)定，是研究納米流體傳熱的基礎；其次，關于納米流體的沸騰傳熱機理及其能否強化傳熱尚且存在一些爭議[67]。

（2）對螺旋通道內部結構的研究。大量對直通道沸騰傳熱的研究已經(jīng)證實通過改變通道結構可提升傳熱系數(shù)或提高臨界干度，這可以優(yōu)化通道傳熱性能。但在螺旋通道的沸騰傳熱研究中試驗模型多基于光滑通道，對螺旋通道內部結構進行改變的文獻較少。

（3）對微細螺旋通道內的流動沸騰實驗研究。由于微細螺旋通道的微尺度效應會使氣泡的運動行為與宏觀情形下有所不同，而在核態(tài)沸騰主導的傳熱區(qū)域，微液層氣泡的行為與傳熱又有著密切的關聯(lián)。因此對這方面的研究也需要進一步展開。

（4）隨著計算機硬件、流動沸騰傳熱模型和數(shù)值模擬技術的不斷完善和發(fā)展，為節(jié)約流動沸騰實驗的時間成本及經(jīng)濟成本和進一步的驗證和完善沸騰傳熱模型理論，應該有針對性的對螺旋通道內流動沸騰傳熱進行CFD技術的探索研究。