微通道臨界熱通量的基礎理論與提升技術研究進展

袁旭東，賈磊，周到，趙盼盼，吳俊峰，王汝金

（1 合肥通用機械研究院有限公司，壓縮機技術國家重點實驗室，安徽合肥230031；2 合肥通用環境控制技術有限責任公司，安徽合肥230031）

引 言

近年來，電子元器件功率不斷增加，且尺寸呈現緊湊化、微型化的發展趨勢，電子發熱的熱通量數量級不斷提升[1]，若不將大量熱量及時散出，電子元件的工作溫度急劇上升，嚴重影響其工作性能[2]和可靠性[3-4]。隨著越來越多的電子器件被封裝在有限體積中[5]，可利用剩余空間越來越小，因此在小空間和高熱通量條件下高效冷卻已成為電子設備安全可靠運行的關鍵。由于微通道流動沸騰換熱具有結構緊湊、換熱效率高、壁溫分布均勻性好等優點[6-7]，可以維持設備在較低溫度[8]，因此微通道換熱（圖1）已成為小空間內電子散熱的主流技術，并廣泛應用于人造衛星、航空航天、核能、汽車等領域[9]。

圖1 微通道換熱工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat transfer of microchannel

臨界熱通量（critical heat flux，CHF）是微通道流動沸騰換熱的限制參數之一，當熱通量大于CHF時，微通道換熱性能迅速惡化，導致微通道壁面溫度急劇上升，造成換熱設備燒毀和電子器件發生故障。隨著電子技術發展，電子熱通量越來越大，因此CHF 的機理分析、預測方法和提升技術一直是微通道領域的研究熱點，通過研究微通道CHF，不僅對于電子設備的安全可靠運行具有重要意義，也有利于深入理解微通道流動沸騰換熱特點。

針對微通道流動沸騰的研究現狀，已有研究人員開展了綜述，主要內容集中在換熱、壓降特性及預測方法[9-10]、通道結構設計及換熱強化[11-12]、流動不穩定性[13-14]等方面，上述綜述為微通道的設計開發、性能提升、穩定運行提供了重要借鑒。CHF 是影響微通道性能的重要參數之一，微通道CHF 的形成原因與特征較為復雜，微通道CHF 的影響因素和預測方法眾多，提升CHF 的技術類型各異，然而目前微通道CHF 研究在理論、預測、技術等方面缺少全面系統的梳理，為此，本文對微通道CHF 進行專業性綜述，詳細闡述微通道CHF 的形成機理、演變機制和變化規律，總結微通道CHF 的觸發機制和顯著特征，分析工況參數、通道尺寸對微通道CHF 的影響機理，介紹微通道CHF 的預測模型，整理微通道CHF 實驗預測關聯式，詳述微通道CHF 提升的各類技術和原理，并探討學術界觀點差異和未來工作展望，為微通道在高熱通量條件下研究、開發和應用提供借鑒。

1 微通道CHF形成機理

CHF 是換熱設備所能允許的最大熱流量，針對微通道CHF 形成機理，國內外學者均開展了深入研究。周繼軍等[15]通過實驗發現，大量過熱蒸汽出現并在微通道內形成蒸汽阻塞是CHF 的誘發機制。Mishima 等[16]實驗發現氣泡不斷在加熱壁面聚集和堆積，阻礙液體與壁面接觸，抑制了熱量傳遞，指出氣泡擁堵是臨界狀況發生的主導機制。Chen 等[17]實驗發現，較大蒸汽團貼附在壁面處，導致通道出口處干涸，并指出微液層蒸干是臨界熱通量的觸發機制。Martin-Callizo 等[18]通過實驗也發現了液膜消失導致臨界狀況發生，指出微液層蒸干是臨界熱通量的發生機制。

當熱通量達到或超過臨界值時，微通道壁面液膜會出現蒸干現象，具體體現在氣泡附著在通道壁面處，使得液體難以及時補充壁面，造成壁面干涸[圖2(a)]。當液膜厚度較大時，由于蒸汽生成速度變快，蒸汽剪切力克服了表面張力，使得部分液膜離開壁面，同時壁面處形成液膜波浪，在波浪之間形成干涸點[圖2(b)]，在上述機理觸發下，阻礙了壁面與液體的熱量傳遞，沸騰傳熱系數迅速下降，造成微通道壁面溫度突升，嚴重影響換熱安全性。

圖3 展示了CHF 出現的演變過程：當熱通量較小時，環狀流液膜厚度較大[圖3(a)]，當增加熱通量后，液膜厚度減小[圖3(b)]，當熱通量達到CHF時，壁面出現干斑[圖3(c)右上方壁面處]，造成傳熱惡化，如果此時繼續增加熱通量，更多的干斑會出現并連成一片，導致壁面溫度急劇上升。

圖2 CHF狀態下壁面干涸產生機制原理圖[19]Fig.2 Mechanism principle diagram of wall drying out at CHF condition[19]

圖3 微通道CHF出現的演變過程圖像[20]Fig.3 Image of CHF evolution process of microchannel[20]

當熱通量達到CHF 狀態時，除了壁面會產生干涸外，蒸汽還易聚合成大氣泡，一方面，對流動造成阻塞，另一方面，易發生回流現象[21]，如蒸汽返回到微通道入口處（圖4），在CHF 狀態下，液膜也易被擊碎成大量液滴并進入主流中，造成通道內主流流速發生大范圍振蕩，上述機制易造成通道進出口壓降突升或劇烈波動等流動不穩定性問題，一方面，流動不穩定會導致CHF 提前出現，另一方面，通道內壓力波動對整個散熱冷卻系統的穩定運行也會造成嚴重影響。

圖4 臨界狀態下微通道入口處蒸汽回流圖像[22]Fig.4 Image of vapor backflow at microchannel inlet at CHF condition[22]

2 微通道CHF影響因素分析

由于CHF 現象對微通道換熱的安全、穩定、可靠運行具有重要影響，因此需要對微通道CHF 的影響因素開展研究。已有文獻表明，工況參數（質量流速、飽和壓力、入口過冷度）和通道尺寸對微通道CHF 具有不同程度的影響，本文將針對上述各因素對CHF的影響機理進行詳細闡述。

2.1 質量流速

在臨界熱通量條件下，微通道內含汽率較高，工質流速對臨界熱通量的影響最明顯[23]。由文獻[24-26]可知，工質在發生CHF 現象的流型主要是靠近出口處的環狀流，當質量流速增加時，微通道CHF明顯上升[25,27]，其原因是：（1）增加了環狀流液膜的厚度，對于壁面氣泡底部形成的蒸干斑點，提高了液體再濕潤能力，工質流經微通道時吸收熱量也會增多；（2）氣泡受到液相的曳力作用增大，氣泡更易脫離加熱壁面，且氣泡脫落直徑變小[28]，起到了抑制氣泡長大、聚集與阻塞的作用，必然會提高通道CHF[29]。當質量流速較小時，由于CHF 受到流速限制較大，因此增大流速后CHF 增加幅度顯著；當質量流速較大時，CHF 受到流速限制較小，若想大幅提高CHF需從其他途徑改進。

2.2 工質飽和壓力

文獻[21,30]表明，當液氣密度比ρL/ρV減小后，氣泡脫離壁面的難度減小，有利于提高CHF；當表面張力σ 減小后，氣泡生成頻率加快，氣泡數量增多，氣泡更容易在壁面處聚集，導致CHF 下降；當汽化潛熱hLV減小后，蒸發所需熱量與熱通量下降，CHF 也會下降。因此，飽和壓力對CHF 的影響根源在于不同壓力下工質物性參數的改變。

文獻[20]指出，隨著飽和壓力的增加，液氣密度比ρL/ρV、表面張力σ 和汽化潛熱hLV均減小，ρL/ρV減小有利于CHF 提升，而表面張力σ 和汽化潛熱hLV減小會導致CHF 降低，上述兩種相反的作用往往會造成CHF 呈現先上升后下降的趨勢，因此，在一定的工況條件下，存在一個飽和壓力值，使得CHF 達到最高。

2.3 入口過冷度

入口過冷度是工質飽和溫度與通道入口溫度的差值。文獻[31-32]研究表明，入口過冷度對CHF 的影響很小，其原因是工質從過冷狀態到飽和狀態所吸收的顯熱，相比于沸騰蒸發所吸收的潛熱非常小，所以入口過冷度對CHF 的提升影響可以忽略[23,33-34]。然而，宋保銀等[35-37]在研究重力場、加熱方位、過載等對CHF 的影響時發現，在高過冷度下，需要大量的熱負荷才能使臨界換熱現象發生，這會導致CHF 增加明顯，Lee 等[24]也指出，在高過冷度的情況下，氣泡脫離直徑和空隙率減小，有利于CHF 的顯著提升。

針對入口過冷度對微通道CHF 的影響程度，學術界觀點存在差異，為深入研究入口過冷度的影響，需基于不同的過冷度大小、工況參數、重力、加熱方位、工質物性、通道尺寸等開展研究，并對研究結果進行對比分析，從多參數的綜合影響角度，揭示入口過冷度對微通道CHF的影響機制。

2.4 通道尺寸

通道尺寸主要指截面尺寸和通道長度，均對微通道CHF 產生影響。對于截面為圓形的微通道，Wojtan 等[23]發現，在實驗工況一定的條件下，內徑為0.8 mm 的微通道CHF 始終大于內徑為0.5 mm 的微通道；Qi等[38]也指出，CHF隨內徑的增加而呈增加的趨勢。對于截面為矩形的微通道，隨著通道寬度或高度的增加，微通道CHF 均呈現增加趨勢[39]。造成上述現象的原因是：當截面尺寸很小時，氣泡生長受限，迫使氣泡沿流動方向生長，形成許多長扁形的氣泡，使得液膜拉長、變薄、與壁面的接觸面積增大，液膜容易迅速蒸干，若熱通量過大，微通道內氣泡的聚集程度變大，大量氣泡阻礙液體的流動，且壁面難以及時得到液體補充，導致壁面出現局部蒸干和傳熱惡化；當截面尺寸增加時，流體流動的穩定性提升[40]，允許通過的氣泡直徑增加，氣泡從壁面脫離速度提高[29]，且壁面能及時得到液體補充，防止壁面干涸。

除了截面尺寸，通道長度也會對微通道CHF 產生影響，文獻[21,23]表明，微通道加熱長度增加，會導致CHF 減少，由于通道內易發生CHF 現象的流型為環狀流，隨著加熱長度增加，環狀流液膜厚度不斷降低（圖5），易造成環狀流液膜的蒸干，文獻[23,41]的實驗數據也表明，當微通道截面尺寸一定時，隨著通道長度的增加，CHF的降低幅度會越來越小。

圖5 環狀流液膜厚度隨微通道長度的變化趨勢[19]Fig.5 Liquid film thickness change of annular flow with microchannel length[19]

3 微通道CHF預測模型

3.1 數學模型

CHF 預測模型可以為微通道在研發階段提供計算依據，對于換熱設備的安全、可靠運行具有指導作用。很多學者立足于CHF 觸發機制，理論推導出CHF 預測的數學模型。Revellin 等[19]基于有限體積和四階Runge-Kutta 法求解質量、動量和能量方程，建立了制冷劑在加熱的圓形微通道中環狀流的CHF 理論模型，目標是求解沿著一維流動方向微元體積中蒸汽區域直徑rV，若存在rV等于管內徑，即認為液膜蒸干且CHF 狀態達到，采用不同制冷劑數據驗證發現，超過96%的數據被預測在±20%的誤差范圍內，平均絕對誤差為8%。

表1 微通道CHF預測數學模型Table 1 Mathematic prediction models for microchannel CHF

Ko?ar[42]基于質量方程推導了CHF 計算公式和方程組，通過實驗得出微槽中凝結質量傳質系數kd，再將各個已知量參數代入方程求解CHF；羅小平等基于文獻[42]的思路，推導了一個在出口處臨界熱通量的CHF 計算公式，通過求解一元二次方程獲得CHF值[43]，該方法的適用范圍廣，預測誤差在25%以內，此外，還針對文獻[42]方法不足之處，提出了預測微小槽道CHF 公式[44]，預測誤差在20%以內。上述數學模型見表1。

3.2 實驗關聯式

基于理論推導的數學模型可以直接體現CHF的形成機理，且準確度較高，但是也存在建模困難、數學求解復雜等問題，為此，更多學者立足于CHF實驗，開發了許多微小通道流動沸騰CHF 實驗關聯式。

圖6所示為微通道流動沸騰實驗中確定CHF點的主要方法，在一定的工況參數條件下，不斷提升壁面的熱通量，觀察壁面溫度或其與工質飽和溫度之差（稱為壁面過熱度），當熱通量達到CHF 點時，壁面溫度或過熱度存在急劇上升現象（如圖6 中虛線所示），因此對應的熱通量值即為CHF。通過上述方法收集大量CHF 實驗數據，擬合出預測關聯式。

圖6 微通道CHF判斷準則[45]Fig.6 Judge criterion of microchannel CHF[45]

周繼軍等[15]基于實驗數據給出了臨界熱通量關聯式，與實驗測量值比，多數點的誤差小于10%，最大誤差為17%。

Qu 等[21]測量了水冷卻的矩形微通道流動沸騰CHF，達到臨界熱通量時，通道內壓力波動劇烈，水蒸氣回流，提出了CHF 預測關聯式，總體平均絕對誤差達到了4%。

Ko?ar 等對微通道流動沸騰開展研究，在已有CHF 關聯式的基礎上，提出了新的關聯式，預測誤差在7.4%左右[30]；他們還研究了基于制冷劑R-123的微通道CHF，提出了新的預測關聯式，該關聯式的總平均絕對誤差為3.8%[20]。

Wojtan 等[23]開展了微通道CHF 實驗研究，測試制冷劑為R-134a 和R-245fa，指出Qu 等[21]的預測關聯式高估了CHF，為此開發了新的CHF 預測關聯式，平均絕對誤差為7.6%，82.4%的數據在±15.0%的范圍內。

Qi 等[38]研究了液氮在微管內流動沸騰換熱的CHF，將Katto 關聯式[46]與Zhang 關聯式[47]的實驗數據進行了對比，上述兩個關聯式的誤差較大，在Katto關聯式的基礎上提出了新的CHF關聯式，總體平均絕對誤差為7.38%。

Ong 等[45]開展了微通道流動沸騰換熱實驗研究，實驗結果表明飽和溫度、質量速度等因素對CHF 產生具有影響，而入口過冷度無影響，在Wojtan 關聯式[23]的基礎上，提出了新的CHF 預測關聯式，針對制冷劑R134a、R236fa 和R245fa 能很好地預測。

Basu 等[48]開展微管內R134a 流動沸騰CHF 研究，指出存在一個最佳管徑使得CHF 達到最大值，當大于該管徑，CHF 幾乎不受影響。同時基于實驗數據提出了一個新的預測CHF 模型，誤差在10%左右。

Chen 等[17]以去離子水、R113 以及FC77 為工質，開展60 個平行微通道的流動沸騰CHF 研究，認為流動逆轉造成的通道阻塞是CHF 形成的原因，并且提出了一個新的CHF 預測關聯式。

Wu等[49]指出CHF通常出現在通道的出口處，因此出口干度對CHF 有重要影響，通過收集實驗數據，開發新的CHF 關聯式，涵蓋多種鹵化制冷劑、氮氣和水，近97.0%的非水數據和94.0%的水數據在±30%的誤差范圍內。

Tanaka 等[41]充分考慮了加熱長度對窄矩形通道的影響，提出了新的CHF 預測關聯式，該式適用于更大范圍的加熱長度，通過對比Wojtan 等[23]的實驗數據，預測誤差在±40%以內。

Park 等[34]針對微通道熱沉開展了CHF 實驗研究，制冷劑為R134a、R236fa、R245fa，將實驗數據與已有文獻的多個預測模型進行比較，結果表明，Katto 等[50]、Wojtan 等[23]、Revellin 等[19]的 預 測 模 型 與實驗數據吻合很好。

Agostini 等[51]針對微通道熱沉開展飽和沸騰條件下的CHF 實驗研究，制冷劑為R236f，將實驗結果與已有文獻的多個預測模型進行比較，結果表明，Wojtan 等[23]和Revellin 等[19]的預測模型準確度最好，100%的實驗結果在±20%誤差范圍內，總平均絕對誤差均為10.1%。

針對超重力環境，張釗[52]基于旋轉平臺模擬飛機過載條件，分析了側載、逆載對微通道CHF 的影響，在Qu 公式[21]的基礎上，擬合了側載、逆載下微通道CHF預測關聯式，相對誤差均低于20%。

從目前公開的CHF 預測關聯式看，關聯式的函數形式與工質的表面張力、氣液密度比、汽化潛熱等物性參數緊密聯系，關聯式也會以工質的物性參數作為基礎數據進行開發，因此開發工質與使用工質物性差異較大時，預測準確性會受到影響。以電子冷卻液和制冷劑為代表的工質和水相比表面張力要小，且在氣液密度比、汽化潛熱等方面也有較大差異，已有研究人員基于實驗數據對不同關聯式的預測誤差進行了對比分析，發現基于工質水開發的關聯式用于制冷劑等工質的預測誤差均較大，而基于制冷劑等工質開發的關聯式更適合于制冷劑的CHF 預測，因此，在預測微通道CHF 時，還需要結合實際使用的工質來選擇關聯式。

納米流體（含納米顆粒的液體）對于提高流動沸騰CHF 具有明顯作用，雖然基于納米流體的CHF預測關聯式較少，但也取得了一定的進展：Lee 等[24]開發了基于納米流體的微通道CHF 預測關聯式；Vafaei 等[53]針對Lee 等[24]開發的關聯式系數進行修正，進一步降低了預測誤差；Wang 等[54]針對豎管開發了納米流體CHF 預測關聯式；DolatiAsl 等[55]充分考慮了納米顆粒物性、體積分數等因素，提出了四種CHF 關聯式，并與微通道實驗數據進行驗證，發現其中一種關聯式的預測誤差最小，他們還指出，質量流速和通道長度對CHF 具有重要影響，納米顆粒的體積分數和熱導率對CHF的影響最小。

表2 展示了已公開的微通道CHF 預測實驗關聯式，其中部分物理量計算公式如下：

表2 微通道CHF實驗預測關聯式Table 2 Experimental prediction correlations for microchannel CHF

若微通道截面為圓形，則加熱當量直徑De為圓直徑，若截面為矩形，則加熱當量直徑De為：

式(3)中微通道尺寸含義如圖7所示。

圖7 矩形微通道單元的截面示意圖Fig.7 Schematic diagram of section of rectangular microchannel unit

目前，研究人員針對微通道CHF 開發了許多實驗預測關聯式（表2），對微通道設計起到了指導作用，然而仍存在不足需進一步完善。

（1）傳統制冷劑由于破壞臭氧層和溫室效應，正被加快淘汰，一些新型環保制冷劑（如R290、R32、HFO 系列工質等）不斷涌現，R290、R32、HFO工質已經應用于微通道沸騰換熱[56-58]，然而目前針對新型環保制冷劑的微通道CHF 預測研究仍缺乏，一方面，可以基于實驗數據對已公開的關聯式進行誤差分析，選擇準確性高的關聯式，或者對關聯式進行修正，另一方面，基于具體工質類型，重新開發新的預測關聯式。

（2）基于水的納米流體CHF 關聯式開發不乏案例，但是基于制冷劑、電子冷卻液等工質的納米流體CHF 預測研究還很缺乏，一方面，應首先驗證納米顆粒對于制冷劑、電子冷卻液等工質的CHF 提升效果；另一方面，在CHF 有效提升的情況下，再基于納米顆粒的種類、物性參數、體積分數（或濃度）等因素開發關聯式。

（3）非共沸混合工質的Marangoni效應能有效提高沸騰CHF，然而基于非共沸混合工質的微通道CHF 預測關聯式缺乏，需要開展相應研究工作，其中，工質種類、組分、濃度在關聯式開發中需綜合考慮。

4 微通道CHF提升技術與原理

基于微通道CHF 的形成機理與特點，研究人員以工質及換熱壁面改性、通道結構改進為研究方向，開展了大量工作。微通道CHF 提升機理主要在于兩個方面：①增加氣泡成核位點與脫離速度，減小氣泡尺寸，使氣泡不易在壁面形成氣膜，抑制氣泡聯合成大氣泡，促進氣泡流動與脫離，防止阻塞；②增加液相層厚度，促進液相向蒸干壁面擴散與濕潤，改善壁面的潤濕性。通過上述機理的實現，顯著提升微通道CHF。

4.1 工質改性

4.1.1 納米流體 納米流體由懸浮在液體中分散的納米顆粒組成，納米材料的加入可以明顯改善工質流動的換熱性能，提高壁面傳熱水平。

羅小平等[44,59]將Al2O3納米顆粒加入水中制作納米流體，并開展微通道換熱實驗分析，指出納米顆粒的加入可增大流體導熱性和擾動性，使氣泡不易在壁面形成氣膜，因此可以顯著提高CHF，還指出壁面粗糙度增大有利于納米流體CHF 提升，但是也會導致流動不穩定性增大。

Vafaei等[60-61]指出，納米流體改變微通道CHF的因素在于兩點：①納米顆粒沉積改變了加熱表面特性，包括改變壁面濕潤性、增加氣泡成核點、阻礙氣泡下方的干涸擴散等；②懸浮在液體的納米顆粒改變了氣泡動力學特性，包括減小氣泡生成過程的接觸角、減小氣泡脫離尺寸、增加氣泡脫離速度等。他們指出，過大顆粒濃度的納米流體CHF 反而不如適當增加顆粒濃度的納米流體CHF，基于微通道CHF 的實驗發現，在納米顆粒濃度很低（0.1%）的情況下，CHF 提升了51%；實驗結束后，通過電鏡掃描觀察了納米顆粒在微通道表面的沉積（圖8），認為通道出口處的表面溫度更高，導致出口處的沉積厚度與顆粒尺寸均大于入口處，由于沉積厚度相對于通道的水力直徑非常小，因此沉積厚度對流動影響可以忽略。

圖8 微通道入口處(a)、出口處(b)的納米顆粒沉積SEM圖像[60]Fig.8 SEM images of nano-particles deposition on surfaces at inlet(a)and outlet(b)of microchannel[60]

Wang 等[54]對納米流體在垂直管內流動沸騰CHF 進行了研究，通過電鏡掃描發現了納米顆粒在加熱表面的沉積，顆粒沉積提升了液相層的黏附性和厚度，有利于CHF 的提高，研究發現入口過冷度和納米顆粒濃度對CHF 無影響；Paul 等[62]研究了向上通過垂直管的納米流體CHF，指出納米顆粒在加熱表面的沉積提升了CHF，改善了壁面的潤濕性，認為納米顆粒濃度對液體濕潤性具有影響，由此可見，針對納米顆粒濃度對CHF 的影響程度，兩種觀點存在不同。

為研究納米顆粒沉積對表面濕潤性的影響，Morshed 等[63]將Al2O3納米顆粒直接涂覆在銅表面，開展液滴靜態接觸角研究。如圖9 所示，在裸銅表面，液滴靜態接觸角接近100°，在涂覆有納米顆粒的銅表面，液滴靜態接觸角約為57°，靜態接觸角越小即濕潤性越好，圖9表明，納米顆粒沉積可以大幅提升表面濕潤性。

圖9 不同銅表面的液滴靜態接觸角[63]Fig.9 Static contact angles of liquid drops on different surfaces of copper[63]

以上研究表明，納米流體不僅具有更好的熱物理性質，而且納米顆粒沉積增加了加熱表面濕潤性，使得沸騰換熱的CHF 得到顯著提升。目前，研究人員主要將水作為基本流體開展納米流體CHF分析，基于制冷劑或電子冷卻液的納米流體研究缺乏，由于制冷劑等工質的表面張力較低，且其他物性參數也均具有較大差異，因此還需要驗證納米顆粒對制冷劑和電子冷卻液CHF 的提升效果，總結微通道CHF 的影響因素；此外，針對納米顆粒濃度對流動沸騰CHF 的影響，目前學術界觀點存在差異，因此仍需綜合考慮工況參數、流動方向、納米顆粒屬性、通道尺寸等因素開展深入研究，對比分析不同因素下CHF 的提升效果與差異，揭示納米顆粒濃度的影響機理。

4.1.2 非共沸混合工質 非共沸混合工質沒有共沸點，各組分按各自的沸點發生相變，沸點低的組分優先沸騰，這會導致組分的濃度梯度與表面張力梯度變化，上述機制引起液體額外的驅動力（即Marangoni 效應），Marangoni 效應可以驅使液體自發地向高溫區域流動，起到濕潤蒸干壁面的作用，此時的非共沸混合工質被視為“自濕潤流體[64]”，可以有效延遲甚至避免工質干涸或燒干現象[65]。

Li等[66]指出表面張力隨溫度變化而產生的熱毛細力驅使液體遠離熱區，然而，可以設計出一種揮發性的二元流體混合物，使溶液毛細力隨著濃度的變化而變化，從而將液體驅向高溫區域，以對抗熱毛細力，他們可視化研究了Marangoni 流動（圖10），發現在一定的組分濃度范圍內，溶液毛細作用十分明顯，驅使液相工質從氣液界面處向加熱區域流動，顯著減少了干涸現象的發生。

Lin 等[67]研究了甲醇/水溶液在微通道內流動沸騰特性，指出混合工質的組分配比對其沸騰傳熱系數以及CHF 均有明顯影響，圖11 為甲醇/水混合物的Marangoni數隨甲醇摩爾分數xm的變化趨勢[68]：

圖10 Marangoni對流流線圖像[66]Fig.10 Image of Marangoni convection line[66]

Ma 體現Marangoni 效應，即液體補充到壁面的程度，Ma 越大，壁面濕潤性越大，CHF 也就越大。圖11 表明，在xm較小時，隨著xm的增加，Ma 迅速增加，當xm=0.3 時達到最大，若繼續增加xm，Ma 開始下降，相應地，CHF 在相同工況下隨著易揮發組分濃度的增大呈現先上升后下降的趨勢。

圖11 Marangoni數和液體表面張力隨甲醇摩爾分數的變化趨勢[67]Fig11 Marangoni number and liquid surface tension as a function of methanol molar fraction [67]

Fu 等[69]對乙醇/水混合物在微通道內流動沸騰換熱開展了實驗研究，結果表明乙醇摩爾分數xm和質量流速對沸騰換熱和CHF 有顯著影響，由于Marangoni 效應，最大CHF 在xm=0.1 處達到，表明少量的乙醇添加到水中就可以顯著增加CHF，另外，在給定的摩爾分數為0.1 時，CHF 隨質量流速的增加而增加。

雖然非共沸混合工質對于提升沸騰換熱的CHF 有顯著效果，但是同樣會對傳熱系數造成負面影響，已有研究表明，非共沸混合工質會減弱沸騰換熱效果[70]，基于非共沸混合工質的流動沸騰傳熱系數小于純組分工質[71]，因此在提升CHF的同時，改善非共沸混合工質的沸騰傳熱系數是今后的研究重點。

4.2 換熱壁面改性

4.2.1 多孔結構涂層 基于化學沉積、燒結、微納米顆粒涂覆等手段，在傳熱面上制備多孔結構或涂層，已成為增強沸騰換熱性能的常用方法，該方法提高了流動穩定性與液相濕潤能力，可以明顯提升CHF[72]。

Wang 等[73]制備多孔蜂窩表面，開展流動沸騰實驗，與光滑表面相比，蜂窩表面的多孔特性對于壁面具有更好的供水能力，因此可以顯著提升CHF。Yang 等[74]在硅基微通道表面制作硅納米線涂層（圖12），相比無涂層，硅納米線涂層提升了毛細力，增強了液相濕潤能力，實現通道CHF 的增加，但是當質量流速很高時，CHF 會減少，他們指出應當探索工況參數的優化范圍，以充分發揮硅納米線的CHF提升作用。

圖12 硅納米線涂層SEM圖像[74]Fig.12 SEM image of silicon nanowire coating[74]

Byon等[75]基于球形銅顆粒制備了一種多孔燒結涂層（圖13），通過CHF 研究發現，基于多孔涂層的工質流動沸騰具有良好的穩定性，可顯著提高CHF，CHF主要取決于顆粒尺寸和聚簇尺寸，與涂層厚度無關。

圖13 基于球形銅顆粒的多孔燒結涂層SEM圖像[75]Fig.13 SEM image of porous sintering coating based on spherical copper particle[75]

Jaikumar 等[76]研究了沉積多孔涂層表面，開展了微通道換熱研究，指出多孔涂層增加了換熱面積、促進了成核現象、增強了液體流動能力，在上述機制下，有效增加了傳熱系數和CHF，研究還發現，通道尺寸會影響多孔涂層對CHF的提升機制。

Morshed 等[77]采用電解沉淀技術在微通道表面制作Cu-Al2O3納米顆粒涂層(圖14)，與裸銅表面相比，涂層促進了液體向干涸區域流動，有利于濕潤壁面，從而增加了CHF 值，但是納米涂層的傳熱系數略降低；Kumar 等[78]采用噴霧熱解法在微通道表面做ZnO-Al2O3涂層，與純ZnO 相比，ZnO-Al2O3涂層增加了有效換熱表面積，促進了核態沸騰換熱，且提高了表面濕潤性，從而提升了CHF。

上述研究表明，多孔結構能夠增加換熱面積，增強液相毛細力，提高液相對壁面的濕潤能力，從而促進CHF 的提升。由于多孔結構參數對CHF 具有重要影響，因此還需開展多孔結構的定量化研究：在不同工況參數、通道尺寸的條件下，分析微通道CHF 隨多孔材料屬性、孔隙率、顆粒直徑與密度、納米線長度、涂層厚度等參數的變化規律，研究不同參數下CHF 提升程度及差異，以此為基礎，提出工況參數、通道尺寸合理范圍，制定多孔結構的優化方向和設計準則。

4.2.2 微結構表面 微結構表面具有增加換熱面積和氣泡核化位點、提高加熱表面毛細吸力、促進氣泡生成與脫離速度、延遲氣泡融合、提高液體重新濕潤等能力，因此微結構表面既能大幅改善沸騰換熱性能，也能顯著提升CHF和流動穩定性。

宇高義郎等[79]將兩種不同導熱性能的材料(銅和聚四氟乙烯)交替布置在靠近傳熱表面的傳熱板內，開發非均勻導熱性傳熱板，該板實現異態相干沸騰（即核態沸騰與膜態沸騰相鄰共存）模式，從而強化微通道傳熱、提升CHF，他們還指出入口流速與過冷度對CHF有明顯影響且趨勢相同。

圖14 裸銅表面與Cu-Al2O3涂層表面SEM圖像[77]Fig.14 SEM images of bare and Cu-Al2O3 coating surfaces of copper[77]

王迎慧等[80]開展了V 形凹槽對微通道流動沸騰CHF 影響的數值模擬研究，凹槽結構（槽深與開口寬度之比h/R）對CHF有明顯影響，隨著h/R的增加，CHF 呈現先增加后減少的趨勢，隨著凹槽數量增加，CHF 呈增加趨勢，為充分發揮CHF 提升效果，需采用適當的凹槽結構。Kuo等[81]通過實驗發現，Ω型凹槽結構表面（圖15）促進了氣泡成核，增加氣泡成核均勻性，抑制流動沸騰過程中的壓力波動，提高了微通道內臨界熱通量，仿真模擬[82]也表明，沸騰機制強烈依賴于壁面條件，基于凹槽的微通道可以提高氣泡成核速度，提升CHF和流動穩定性。

圖15 Ω型凹槽微通道[81]Fig.15 Microchannel based on Ω-shaped grooves[81]

在微通道內壁面處增加微柱結構（圖16、圖17）是提升換熱性能和CHF 的有效途徑，其中，微柱截面形狀可以是圓形、菱形、方形、針形等。微柱結構能夠增大有效傳熱面積以及流動混亂度，微柱結構存在的毛細吸引力均能及時向受熱面供給液體并且提供穩定的氣泡成核位點[83]，還可以增加氣泡脫離速度、液膜厚度和表面濕潤性[84]，因此微柱微通道的綜合性能要優于光滑微通道[85]，已有研究表明，微柱結構可以提高微通道兩相流穩定性，并提供大量的穩定成核位點，增加液體毛細力和潤濕能力，阻礙局部干涸，從而提升微通道CHF[86]。

圖16 基于微柱的微通道結構示意圖Fig.16 Structure diagram of microchannel based on micro-cylinders

上述研究表明，微結構表面對于提升微通道CHF 具有重要作用，由于微結構尺寸對CHF 具有重要影響，為充分發揮CHF 的提升效果，需研究CHF隨微結構尺寸的變化規律，為各類微結構表面的優化設計建立理論依據，此外，目前的微結構形狀、尺寸較為單一，隨著激光、刻蝕等精密加工技術的發展，為更多形式的微結構制備創造了條件，微結構還可以與多孔結構進行組合研究，為進一步提升微通道CHF提供新思路。

圖17 基于微柱群的微通道實物圖[87]Fig.17 Picture of real microchannel based on micro-cylinders [87]

4.2.3 親/疏水性表面 基于復合法、沉積法、鑄造法、熱氧化、化學修飾等手段可以制備親/疏水性表面，親/疏水性的改變使得沸騰換熱特性產生顯著變化，直接影響到換熱性能和CHF，因此基于表面親疏水性的沸騰換熱獲得大量研究。

李蔚等[88-89]利用等離子增強化學氣相沉積工序，在親水性的硅片上制備二氧化硅納米的超親水表面，其中，親水表面液滴的接觸角（contact angle，CA）為65°±3°，超親水表面液滴的接觸角＜5°，因此超親水表面的潤濕性更好，并開展了微細通道流動沸騰換熱實驗，結果表明超親水表面可以延緩局部干涸和CHF發生。

Kim 等[90]通過數值模擬發現，在低質量流速下，親水性微通道的表面濕潤性更好，因此其CHF 要高于疏水性微通道，然而在高質量流速下，慣性力足夠大，使得氣泡滑動速度、壁面換熱性能均很高，導致疏水性微通道反而更能提升CHF。

從目前的研究來看，親、疏水性表面對CHF 和沸騰換熱特性的影響機理較為復雜，總體而言，疏水性表面親氣疏水，其表面可以產生大量氣泡，增強沸騰效果，提高傳熱系數，但氣泡易堆積、脫離速度慢，導致CHF 提前到達；親水性表面親水疏氣，其表面氣泡生成少、易脫離，且液體潤濕能力強，推遲了CHF，但傳熱系數小。

針對親/疏水性表面研究的下一步工作，一方面，需綜合考慮工況參數、工質種類與物性等因素，深入分析不同因素下親/疏水性表面與微通道CHF的關聯性、影響程度及變化趨勢，揭示親/疏水性表面對微通道CHF 的影響機理;另一方面，將親、疏水性相結合，組合制備新型換熱表面，已成為研究人員的關注重點[91-92]，因此如何制備均具有親、疏水性的混合表面，充分發揮二者優勢也是今后的研究重點。

4.3 通道結構改進

4.3.1 通道連通 微通道換熱器通常由多個平行的通道并聯組成，在常規的封閉并聯微通道中，中間部分的流道流量往往要高于邊緣流道流量，由于通道之間的流量分布不均，造成氣泡對流動阻塞以及各并聯通道之間換熱過程的不同步，易導致并聯通道之間存在壓差、中間流道不易沸騰和邊緣流道的燒干、氣泡增長過快、阻塞、壓力劇增等問題，上述機制都會造成CHF 提前出現，因此可以在相鄰通道之間開通輔助流道、微縫等結構，使得并聯通道之間實現連通，將流體均勻分流，提高各通道之間的壓力、流量均勻性，有效延緩CHF 出現，此外，工質在流入相鄰通道且融合后，還會擾動流場，破壞近壁面的邊界層，增強換熱性能。

Prajapati 等[93-95]分別設計了三種微通道結構：等截面通道、漸擴型截面通道、連通通道（圖18），通過在等截面通道之間開通輔助流道，實現相鄰通道的連通，通過實驗發現，微通道綜合性能從高到低依次為：連通通道、漸擴型截面通道、等截面通道。

相比于等截面通道，漸擴型截面通道可以對段塞流中氣泡進行調節，段塞流（一段液體、一段接近管徑的大氣泡）通常是微通道內環狀流之前的主要流動結構，若沿著流動方向的通道截面尺寸逐漸增加，則有利于氣泡生長聚合，促進氣泡向通道出口流動，緩減下游通道內氣泡對流動的阻塞，同時保證液體能夠及時補充到下游，提高流動穩定性和表面濕潤性，因此，漸擴型截面通道可以延緩CHF 出現，然而Prajapati 等[93-95]的研究還表明，在連通通道內，氣泡向上游方向的生長不僅得到抑制，還可以朝其他各方向生長和拉長，因此氣泡阻塞風險更小，再加上流體分流提高了壓力、流量的均勻性，勢必對于整個微通道換熱器的流動穩定性、強化換熱、壁面濕潤性起到更好的促進作用，因此連通通道對提高微通道CHF具有顯著效果。

Kandlikar 等[96]設計了開式微通道結構（圖19），微通道上方增加了額外的流動區域，且沿著流動方向，額外流動區域的高度逐漸增加，基于額外流動區域實現了所有并聯通道的頂部連通，開式微通道提供的額外空間可用于氣泡生長聚合，促進氣泡脫離加熱表面，驅使液體流向微通道底部，從而增加加熱表面濕潤性，實現CHF 提升。Yin 等[97]也設計了開式微通道，研究表明，由于大量氣泡聚集在上方額外的流動區域，不僅防止了氣泡對流體的阻塞，也促進了氣泡下方液體對壁面的濕潤（圖20），因此開式微通道也可以實現段塞流中氣泡的調節，且對于CHF的提升具有顯著作用。

圖18 基于等截面(a)、漸擴型截面(b)、相鄰連通通道(c)的微通道結構示意圖[94]Fig.18 Structure diagram of microchannels based on uniform(a),diverging cross-section(b)and connected adjacent channel(c) [94]

圖19 開式微通道結構示意圖[96]Fig.19 Structure diagram of the open microchannels [96]

黨超等[98]設計了一種內部連通型微通道（圖21），內部連通區域可以引起兩相流的混合，實現下游液膜的重新初始化，增強下游液膜擾動，破壞液膜內的溫度梯度，降低液膜蒸發阻力，此外，氣液兩相混合還可以提高下游通道間的流動均勻性，延遲局部干涸，因此可以顯著提升CHF。

圖20 開式微通道氣泡生成示意圖[97]Fig.20 Bubble generation in open microchannels [97]

圖21 內部連通型微通道Fig.21 Internally connected microchannel

4.3.2 補液通道 在微通道上開設補液口及相應的補液通道，已成為增強流動沸騰換熱及CHF 的有效手段，基于補液流入與沖擊，可以破壞流動邊界層、瓦解氣泡和抑制氣泡增長，提高換熱性能、表面濕潤性和壁面溫度均勻性。

Dai 等[99]設計了一種補液通道，如圖22 所示，微通道入口處的過冷液體被分為兩個部分，一部分液體在主通道內流動，另一部分液體借助補液通道由補液口注入主流中。對于單相流動區域而言，補液支流可以擾亂邊界層生長，對于兩相流動區域而言，補液支流可以限制氣泡生長，促進氣泡瓦解，因此補液通道可以強化換熱、增加兩相區表面濕潤性、抑制氣泡生長、降低微通道后半段壁面溫度，研究結果表明，借助補液通道，微通道CHF 可以獲得顯著提升。

圖22 補液通道結構示意圖[99]Fig.22 Sketch of liquid supplying channel [99]

Loganathan 等[100]也設計了一種補液通道，如圖23 所示，其中，補液通道的寬度、高度與主通道相同，補液口與主通道呈90o角，且位于主通道的中間處。實驗結果表明，借助補液通道，沸騰傳熱系數得到提高，且補液的充入與沖擊可以冷凝或者破壞氣泡，因此有利于CHF 的提升，但是實驗也發現，由于補液沖擊的影響，微通道的總壓降也增加了，最后指出，換熱性能受補液口位置、微通道長度等因素影響，增加補液通道對于提高CHF 是一個值得關注的研究方向。

上述研究表明，補液通道有利于微通道換熱性能和CHF 的提升，但是流動壓降增加也是一個需要值得注意的地方，此外，補液通道尺寸、補液口位置及數量、補液流量比例等均是影響微通道換熱性能和CHF 的主要因素，因此還需要對補液通道的工況參數、結構優化開展針對性研究，為降低流動壓降、提升換熱性能和CHF提供參考依據。

5 結 語

（1）臨界熱通量（CHF）是流動沸騰換熱所允許的最大熱通量，CHF 是微通道性能限制參數之一，研究人員對微通道CHF 機理過程開展大量的理論與實驗研究，發現當熱通量達到CHF 時，會發生壁面干涸、氣泡貼附壁面、液體無法及時補充壁面等現象，阻礙了壁面與液體的熱量傳遞，沸騰傳熱系數迅速下降，造成微通道壁面溫度突升，也會發生氣泡生成過快過大、氣泡聚合阻塞等現象，造成流體回流、壓力劇烈波動或突升等流動不穩定性問題，導致CHF提前出現。

圖23 補液通道幾何結構示意圖[100]Fig.23 Geometry sketch of liquid supplying channel [100]

（2）基于實際應用中換熱安全的重要性，研究人員開展了工況參數、通道尺寸對微通道CHF 的影響規律研究，研究結果表明，隨著質量流速的增加，有利于CHF 增加但增加幅度越來越小，飽和壓力對CHF 的影響根源在于不同壓力下工質物性參數的改變，通道截面尺寸增加有利于氣泡流動和CHF 提升，而通道長度增加易造成液膜厚度降低和CHF 下降，入口過冷度增加有利于CHF 提升，但其對微通道CHF 的影響程度，學術界觀點存在差異，仍需進行深入研究。

（3）為實現微通道安全運行，研究人員建立了微通道CHF的預測方法：基于CHF 觸發機制和理論推導，建立CHF 的數學模型及其求解方法，或者基于實驗數據開發CHF 預測實驗關聯式，目前已開發了水、制冷劑、納米流體等工質的關聯式，在選擇關聯式時，還需結合實際使用工質，以提高預測準確性。上述CHF 預測方法對于微通道設計與優化起到了指導作用，但是基于新型環保制冷劑、非水類工質的納米流體、非共沸混合工質的微通道CHF 預測研究仍需進一步開展。

（4）隨著電子器件的功率和集成度越來越高，熱通量也越來越大，因此微通道CHF 提升技術對于電子設備的安全可靠運行具有重要意義，研究人員對納米流體、非共沸混合工質、多孔結構表面、微結構表面、親疏水性表面、通道連通、補液通道均開展了大量研究，以上技術可以阻礙壁面氣膜形成，抑制氣泡生長、聚合與阻塞，促進氣泡流動，增加液膜厚度，提高液相對壁面濕潤能力，因此在提升微通道CHF 方面均取得了顯著成效。隨著新材料、加工工藝的發展，微通道CHF 的提升空間得到了拓展，因此如何進一步制備新的工質、換熱表面與通道結構，并充分發揮各自優勢，已成為提高微通道CHF的未來研究方向。

符 號 說 明

Ach——微通道截面面積，m2

AH——加熱面積，m2

Ai——氣液界面面積，m2

AL——液相截面積，m2

ALW——液相與壁面接觸面積，m2

AV——氣相截面積，m2

Co——限制數

cp——液體比定壓熱容，J/(kg·K)

D——直徑，m

dr——液滴質量分數

f——液膜質量分數

G——質量流速，kg/(m2·s)

Gx——過載大小，g

g——重力加速度，m/s2

Hch——矩形通道高度，m

h——比焓，J/kg

hLV——汽化潛熱，J/kg

kd`——傳質系數，m/s

L——微通道加熱長度，m

Ma——Marangoni數

m——質量流量，kg/s

me——液滴質量流量，kg/s

mf——液膜質量流量，kg/s

mV——蒸氣質量流量，kg/s

Nn——納米顆粒數量

Pch——通道周長，m

PV——蒸汽流區域截面周長，m

Pr——Prandtl數

p——壓力，Pa

q——熱通量，W/m2

r——直徑，m

T——溫度，K

ΔTsub——液體入口過冷度，K

u——流速，m/s

Wch——矩形通道寬度，m

We——飽和液體Weber數

x——蒸汽干度

z——通道長度方向坐標，m

δ——液膜厚度，m

δi——波浪液膜平均厚度，m

Γ——傳質速率，kg/(m·s)

θ——加熱方位，加熱面朝上：θ=0°，加熱面朝下：θ=180°

μ——動力黏度，Pa·s

ν——運動黏度，m2/s

ρ——密度，kg/m3

Δρ——飽和液體與氣體密度差，kg/m3

σ——表面張力，N/m

Δσ——液體在露點溫度與泡點溫度的表面張力之差，N/m

τLV——蒸汽與壁面之間的剪應力，N

τLW——液體與壁面之間的剪應力，N

φ——納米顆粒體積分數

下角標

bf——基本流體

chf——臨界值

cr——臨界狀態

dr——液滴

e——加熱當量

f——液膜

h——水力直徑

i——通道入口

L——飽和液體

o——通道出口

sat——飽和狀態

t——管內徑

V——飽和氣體