開口結(jié)構(gòu)對微肋陣沸騰換熱及氣泡動態(tài)生長特性的影響

孫瑞瑞 張 經(jīng) 華君葉,2 趙孝保,2 秦露雯

(1 南京師范大學能源與機械工程學院 南京 210046；2 江蘇省能源系統(tǒng)過程轉(zhuǎn)化與減排技術(shù)工程實驗室 南京 210046)

微肋陣矩形通道作為一種帶有高效微型散熱結(jié)構(gòu)的通道傳熱器，與其他冷卻方式相比，具有面體比高、體積小、傳熱效率高等優(yōu)勢，能夠有效加強電子芯片的冷卻散熱，在冷卻電子設(shè)備領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注[1-2]。郭保倉等[3-6]通過對不同形狀微肋陣沸騰換熱特性進行研究，發(fā)現(xiàn)在沸騰過程中橢圓形微肋陣能夠保持較好的穩(wěn)定性。Wan Wei等[7]實驗研究了方形、圓形、菱形和流線型微肋陣通道的沸騰特性，發(fā)現(xiàn)方形微肋陣的流動和換熱性能均最優(yōu)。通過新型微肋陣矩形通道的設(shè)計研究[8-11]，發(fā)現(xiàn)微肋陣矩形通道內(nèi)核態(tài)沸騰時換熱性能更優(yōu)。在向飽和核態(tài)沸騰過渡的過程中，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)先增大后減小。杜保周[12]對3種不同形狀(橢圓形、菱形、圓形)微肋陣通道的臨界熱流密度進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)實驗段中針肋的加入能夠有效抑制氣泡反向流動，降低沸騰過程中的不穩(wěn)定性，從而延遲通道內(nèi)液膜被蒸干。Yin Liaofei等[13-14]通過流動可視化發(fā)現(xiàn)在工質(zhì)流動沸騰過程中針肋會阻礙氣泡生長，有效減少流體回流，降低沸騰的不穩(wěn)定性。Y.K.Prajapati 等[15]通過對圓形和菱形微肋陣的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)肋片會影響氣泡的生長，但利于降低沸騰過程中的不穩(wěn)定性，提高傳熱效率。申宇等[16]對帶微肋矩形通道內(nèi)氣泡流動沸騰進行二維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)氣泡對尾渦區(qū)的流動結(jié)構(gòu)存在擾動作用，氣泡的蒸發(fā)相變主要發(fā)生在方柱和尾渦區(qū)內(nèi)，且Re越小，氣泡的體積增長越快。

基于上述研究，本文主要研究開口結(jié)構(gòu)對于微肋矩形通道流動沸騰換熱特性和氣泡動力行為的影響。設(shè)計并加工了開口水滴形狀的微肋陣通道，搭建了微肋陣通道流動沸騰與傳熱可視化實驗臺，以去離子水為工質(zhì)，進行沸騰實驗，與水滴形結(jié)構(gòu)對比，研究工質(zhì)流量對流動和換熱性能的影響，并借助高速攝像儀等可視化設(shè)備，對開口水滴形微肋陣通道內(nèi)流動沸騰過程中氣泡的變化情況進行拍攝，并對微針肋附近的氣泡動力學行為進行分析。

1 實驗裝置及過程

1.1 實驗件

實驗段采用紫銅通過數(shù)控機床在矩形通道熱沉中設(shè)置規(guī)律叉排排布的微針肋陣列，每個實驗段針肋總數(shù)均為91，微肋陣實驗段一側(cè)布置了兩排共6個測溫點。圖1所示為開口水滴形和水滴形微針肋熱沉的實驗段正面照片。圖2所示為微針肋實驗段表面結(jié)構(gòu)。微肋陣矩形通道針肋部分尺寸為L1×W=40 mm×5.2 mm，散熱器尺寸為L×W×H=58 mm×5.2 mm×0.5 mm。針肋橫截面積為開口水滴形，具體尺寸如圖2所示。

圖1 開口水滴形針肋熱沉實驗段正面照片

圖2 微針肋實驗段表面結(jié)構(gòu)

1.2 實驗系統(tǒng)

搭建了微肋陣矩形通道可視化實驗臺，實驗原理如圖3所示，主要包括恒溫循環(huán)泵、往復(fù)泵、調(diào)壓器、加熱棒、數(shù)據(jù)采集儀、壓力傳感器、熱電偶、直流穩(wěn)壓電源、流量計、高速攝像機、冷光源和計算機等。

圖3 實驗系統(tǒng)原理

1.3 實驗過程

實驗前，完成實驗件的組裝和密封，將實驗所用去離子水進行預(yù)沸騰處理，以除去溶解氣體。實驗時，將調(diào)壓器調(diào)至60 V(126 W)，當?shù)装鍦囟冗_到指定溫度后，開始向通道內(nèi)通入去離子水，流量設(shè)置為0.2 kg/h，等待5～8 min，工況穩(wěn)定后，記錄流量、壓力和溫度等數(shù)據(jù)，并用高速攝像儀進行拍攝，完成后進行下一組實驗，調(diào)節(jié)流量至0.4 kg/h，依次類推，以0.2 kg/h的間隔，逐漸增大流量至8.6 kg/h，依次記錄數(shù)據(jù)和攝像。通過得出的數(shù)據(jù)和圖像來分析微肋陣通道流動沸騰換熱特性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

主要數(shù)據(jù)計算式如表1所示。

表1 實驗中重要參數(shù)的計算式

本文利用誤差傳遞理論計算由儀表最大誤差得到的實驗結(jié)果的最大可能誤差。溫度、流量、雷諾數(shù)、壓降、摩擦阻力、平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的相對誤差依次為4%、0.1%、0.82%、4%、4.5%、7.65%。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 開口水滴形微肋陣內(nèi)流型變化

實驗入口水溫為30 ℃，加熱電壓為60 V，圖4所示為開口水滴形微肋陣通道內(nèi)流型隨雷諾數(shù)的變化。隨著工質(zhì)流量的增加，微肋陣通道中經(jīng)歷了膜態(tài)沸騰、核態(tài)沸騰和單相對流換熱等3個階段，對應(yīng)出現(xiàn)了霧狀流(圖(a))、環(huán)狀流(圖(b)～(e))、泡狀流(圖(e)～(j))和無氣泡狀態(tài)(圖(k)～(i))。當流量為0.43、1.06、5.19 kg/h依次為從霧狀流向環(huán)狀流過渡、環(huán)狀流向泡狀流過渡、泡狀流向無氣泡狀態(tài)過渡，分別對應(yīng)圖(b)、(e)、(j)。而流型轉(zhuǎn)變和傳熱過程是相互對應(yīng)的。

圖4 開口水滴形微肋陣通道內(nèi)流型隨Re變化

2.2 兩種形狀微肋陣流動沸騰換熱特性對比

開口水滴形與水滴形微肋陣的壓降隨Re的變化如圖5所示。圖中，壓降隨Re增大呈迅速上升、迅速下降和再一次上升等3個階段，對應(yīng)2.1節(jié)中傳熱過程由膜態(tài)沸騰到核態(tài)沸騰過渡的極大值、由核態(tài)沸騰向單相對流過渡的極小值，它們變化的節(jié)點是一一對應(yīng)的。對比兩種形狀的壓降變化，可以發(fā)現(xiàn)在3個階段內(nèi)，開口水滴形微肋陣的壓降大于水滴形微肋陣的壓降。兩者均具有良好的流線形結(jié)構(gòu)，可以保證工質(zhì)的穩(wěn)定流動。開口水滴形微肋陣的開口設(shè)計，對流體進入微肋陣起到了緩沖作用，一部分流體流入空腔內(nèi)，一部分流體沿著針肋之間次級通道流入微肋陣；并且開口結(jié)構(gòu)造成了更多的凹凸點，有益于汽化核心的形成與遷移。因此開口處內(nèi)部最先形成氣泡，氣泡與針肋前部附近的氣泡合并，體積增大，更容易發(fā)生遷移。但由于開口水滴形比水滴形多了開口結(jié)構(gòu)，增強了流體的擾動，因此壓降較高于水滴形微肋陣。

圖5 不同形狀微肋陣下壓降隨Re的變化

微肋陣通道平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與Re的關(guān)系如圖6所示。隨著Re增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)呈降低、升高、降低、升高的變化，與2.1節(jié)中的流型從霧狀流到環(huán)狀流到泡狀流再到?jīng)]有氣泡是相互對應(yīng)的。對比兩種形狀的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，Re較小(如Re≈132)時，兩種通道中均處于膜態(tài)沸騰，但開口水滴形微肋陣由于開口結(jié)構(gòu)，增加了沿側(cè)壁的對流換熱面積，通道中也可以形成更多的氣膜，因此換熱優(yōu)于水滴形微肋陣。隨著Re增大，當Re≈265時，開口水滴形微肋陣和水滴形微肋陣通道中前段的氣泡對比如圖7所示。由圖7可知，此時水滴形微肋陣中的氣泡數(shù)量多于開口水滴形微肋陣，說明水滴形微肋陣的換熱更好，對應(yīng)圖6中這一階段水滴形微肋陣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于開口水滴形微肋陣。當Re繼續(xù)增大時(如Re≈623)，此時微肋陣通道內(nèi)流量較大，換熱方式已轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄬α鲹Q熱，開口水滴形微肋陣的開口結(jié)構(gòu)增大了傳熱面積，更有利于換熱，因此換熱更好，同樣對應(yīng)圖6中當Re>500時，開口水滴形微肋陣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大于水滴形微肋陣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。因此，開口結(jié)構(gòu)在Re較低和較高時均有利于換熱。

圖6 不同形狀下微肋陣通道表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨Re的變化

圖7 微肋陣通道中前段氣泡對比

2.3 不同加熱功率下兩種形狀微肋通道換熱特性及流型對比

不同加熱功率下開口水滴形與水滴形微肋陣的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨Re的變化如圖8所示。在3種加熱功率下，兩種針肋的對流換熱能力均隨Re的增加逐漸上升。當加熱功率為126 W時，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)上升較為穩(wěn)定，隨著Re的不斷增大，開口水滴形微肋陣通道明顯比水滴形的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大；加熱功率增至172 W時，兩種形狀針肋的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差較小，隨著Re增大有明顯波動；加熱功率增至224 W，Re較小時，水滴形傳熱效果較好，Re較大時，開口水滴形傳熱效果更好。

圖8 不同加熱功率下兩種形狀微肋陣通道對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨Re的變化

當實驗入口水溫為40 ℃，流量為0.5 kg/h，開口水滴形前段微肋陣內(nèi)工質(zhì)流型隨加熱功率的變化如圖9所示。隨著加熱功率增大，通道內(nèi)熱流密度不斷上升，壁面汽化核心增多，且氣泡生成頻率增高，氣泡數(shù)量顯著上升(圖9(a)～(d))；氣泡逐漸重疊合并形成大氣泡；隨著熱量的積累，形成的環(huán)狀流液膜逐漸減薄，工質(zhì)開始由核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰過渡(圖9(e)～(h))。

圖9 開口水滴形微肋陣通道內(nèi)流型隨熱流密度的變化

2.4 開口水滴形微肋陣內(nèi)氣泡生長特性

以微通道一段時間內(nèi)的氣泡變化為例，當流量為1.4 kg/h時，開口水滴形微肋陣內(nèi)氣泡隨時間的變化如圖10所示。在初始時刻，針肋后部沒有氣泡出現(xiàn)，當t=0.108 s時，針肋后部開始出現(xiàn)微小的汽化核心；隨時間推移，氣泡直徑不斷增大，氣泡體積逐漸增大，當t=0.388 s時，氣泡直徑增至0.078 0 mm，值得注意的是，氣泡體積受工質(zhì)流動及周圍氣泡遷移的影響發(fā)生回縮，當t=0.400 s時氣泡直徑回縮至0.074 1 mm。隨時間的增加，氣泡體積逐漸增大，同時，受工質(zhì)流動的影響逐漸減弱，直徑穩(wěn)定上升，直至t=0.486 s，氣泡完全發(fā)生遷移。

圖10 開口水滴形微肋陣內(nèi)氣泡隨時間的變化

為了更細致的研究氣泡生長和運動特性對流動沸騰傳熱特性的影響，從不同區(qū)域針對氣泡生長時間和氣泡等待時間來分析微肋陣通道的換熱情況，氣泡分區(qū)如圖11所示。

Ⅰ區(qū)：緊貼針肋尾部；Ⅱ區(qū)：位于針肋后方的二號區(qū)域；Ⅲ區(qū)：同排相鄰兩針肋之間

圖12所示為加熱功率為126 W、進口溫度為30 ℃時，開口水滴形針肋末端擾流區(qū)和針肋間隙區(qū)氣泡的等待和生長時間隨Re的變化。氣泡的等待時間指汽化核心形成所需時間，生長時間則包含氣泡在壁面處生成后的長大、震蕩和遷移的全過程。由圖12可知，隨著Re增大，兩區(qū)域內(nèi)氣泡的等待時間和生長時間均逐漸增大，氣泡的生長時間大于等待時間，此外，針肋末端Ⅱ區(qū)域的等待時間和生長時間均比Ⅲ區(qū)域的更短。這是由于微肋陣間隙的Ⅲ區(qū)域中工質(zhì)流速較高，高速流體對通道底板進行沖刷能有效帶走熱量，Ⅲ區(qū)域底板處的熱量低于Ⅱ區(qū)域。Re增大的過程中，工質(zhì)不斷帶走微肋陣表面熱量，底板處達到形成汽化核心的條件需要耗時更長，同時，氣泡在通道內(nèi)的分布逐漸稀疏，氣泡生長過程中受流體擾動的干擾，生長過程延長，時間增加。

圖12 針肋通道不同區(qū)域氣泡等待時間及生長時間隨Re的變化

3 結(jié)論

本文通過微肋陣通道沸騰流動與傳熱實驗臺，對開口水滴形微肋陣通道的流動及換熱性能進行研究，得到如下結(jié)論：

1)采用開口水滴形針肋的開口結(jié)構(gòu)，一方面增加了沿側(cè)壁的對流換熱面積，更加有利于摩擦阻力損失的降低；另一方面造成了更多的凹凸點，有益于汽化核心的形成與遷移。

2)通道內(nèi)工質(zhì)隨Re的增加，經(jīng)歷膜態(tài)沸騰、核態(tài)沸騰和單相對流換熱。沸騰狀態(tài)下，Re較低時壓降較大，微肋陣通道內(nèi)平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)受Re影響較大。

3)加熱功率為126 W，開口水滴形微肋陣通道明顯比水滴形的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大；增至172 W時，兩種形狀針肋的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)相差較小；加熱功率增至224 W，Re較低時，水滴形傳熱效果較好，Re較高時，開口水滴形傳熱效果更好。

4)微肋陣通道II和III區(qū)域內(nèi)氣泡的等待時間和生長時間均隨Re的增大逐漸增大，且氣泡的生長時間大于等待時間，此外，針肋末端II區(qū)域的等待時間和生長時間均比III區(qū)域的更短。

5)微肋陣的開口結(jié)構(gòu)會對流動和沸騰特性產(chǎn)生較大影響。在小流量下，壓降受針肋特征尺寸影響較大。隨流量增大，開口結(jié)構(gòu)對流動特性的影響逐漸減弱，但開口水滴形微肋陣的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)仍然很高。在較低或較高Re下，開口水滴形微肋陣的對流換熱優(yōu)于水滴形微肋陣。因此，開口水滴形微肋陣通道具有良好的流動和換熱特性，能有效強化設(shè)備的冷卻散熱。

符號說明

A——全部傳熱面積，m2

Ab——無針肋的矩形通道傳熱面積，m2

Amin——微肋陣最小換熱截面積，m2

C——針肋橫截面周長，m

d——氣泡直徑，m

D——當量直徑，m

h——平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

H——微肋陣散熱器高度，m

I——調(diào)壓器加熱時的電流值，A

L——微肋陣散熱器長度，m

L1——散熱器中針肋所占據(jù)區(qū)域的長度，m

Nt——通道內(nèi)針肋總數(shù)量，個

P——微通道加熱功率，W

Ps——微肋陣矩形通道橫截面的濕潤周長，m

Δp——微針肋陣列進出口之間的壓降，kPa

p1——微通道進口壓力，kPa

p2——微通道出口壓力，kPa

Q——體積流量，m3/s

qe——熱流密度，W/cm2

Re——雷諾數(shù)

S——微通道傳熱總面積，m2

S0——微針肋截面面積，m2

t——氣泡變化時間，s

tg——氣泡生長時間，s

tw——氣泡等待時間，s

Tsurf——表面溫度，℃

Tf——工質(zhì)流體溫度，℃

Tin——微通道進口溫度，℃

Tout——微通道出口溫度，℃

T1——微通道在測點106/107的底板表面溫度，℃

T2——微通道在測點108/109的底板表面溫度，℃

T3——微通道在測點110/111的底板表面溫度，℃

u——流速，m/s

U——調(diào)壓器加熱時的電壓值，V

W——微肋陣散熱器寬度，m

Φ——熱通量，kW/m2

Φloss——換熱過程中損失的熱通量，kW/m2

υ——工作流體的黏度，m2·s