方形肋陣參數變化對流動沸騰換熱影響的實驗研究

史一濤 曹 瑞 阮 琳,2

方形肋陣參數變化對流動沸騰換熱影響的實驗研究

史一濤1曹 瑞1阮 琳1,2

（1. 中國科學院電工研究所 北京 100190 2. 中國科學院大學 北京 100049）

為掌握肋陣結構參數變化對流動沸騰換熱的影響規律，對表貼式肋陣液盒內的流動沸騰換熱與兩相流動壓降特性進行了可視化實驗研究。該文采用橫截面積為180mm×20mm的液盒作為研究對象，液盒通道為可視化單面加熱窄矩形結構。選擇肋高度、肋間距、肋橫截面積不同的七種肋陣背板，對液盒內部流動沸騰換熱特性進行研究。通過可視化觀察發現，肋陣明顯強化了液盒內的流動沸騰換熱過程。對不同肋陣參數對沸騰換熱的變化規律進行研究發現，隨著肋陣高度和肋陣間距的變化，沸騰傳熱效果均存在最優值；沸騰傳熱系數隨著單肋橫截面積增加而增加；液盒內的流量-阻力壓降循環特性對肋陣參數的變化較為敏感，隨著肋陣參數的變化均呈現不同程度地向左或向右的漂移現象。該研究結果為方形肋陣結構在表貼式蒸發冷卻系統上的工程應用提供了重要依據。

表貼式 肋陣 流動沸騰 強化換熱 兩相壓降

0 引言

近年來，隨著電力電子設備朝著微型化、高熱流密度方向發展，散熱問題已經成為制約其發展的瓶頸[1]。沸騰換熱技術作為一種非常有前景的電力電子設備冷卻技術，具有換熱效率高、工質用量少、均溫性好等優點，已經廣泛應用到計算機、直流輸電、雷達、交通等領域[2-4]。顧國彪等指出，蒸發冷卻流動沸騰換熱技術具有結構簡單、體積小、低噪聲等優點，電力電子設備采用該技術后，體積和重量均減少40%以上，工程造價降低40%以上[5]。阮琳等將表貼式蒸發冷卻流動沸騰換熱技術應用到超級計算機上，液盒緊貼芯片表面，可實現芯片快速降溫，具有溫度分布均勻、芯片運行溫度低、延長使用壽命等優點，該技術可以降低超級計算機6.12%的散熱能量消耗[6]。曹瑞等利用參數化建模方法建立蒸發冷卻關鍵部件——液盒的數學模型，對其內部汽液流程及溫度場進行研究，并結合實驗結果最終確定了液盒結構[7]。郭朝紅等對不同兩相流型轉變準則進行研究，并提出了適用汽輪機線棒內工質兩相流型的轉變準則[8]。董海虹等對不同回路高度對自循環蒸發冷卻系統傳熱性能的影響進行了研究[9]。

在流動沸騰換熱基礎上通過肋陣強化傳熱，可以進一步提高電力電子設備冷卻能力。該技術迎合了其熱流密度快速增長的需要，正受到越來越多學者的關注。M. H. Nasr等采用R134a作為冷卻介質，對內肋陣通道和光滑通道內的流動沸騰換熱特點進行研究，肋陣通道的沸騰傳熱系數是光滑通道的4倍[10]。D. A. Mcneil等對平板和順列肋陣板的沸騰換熱效果進行了對比，研究結果表明肋陣板傳熱效果更好，但相比光板，肋陣板壓降增加7倍[11]。Yin Liaofei等對水工質在肋陣通道內的流動沸騰進行了實驗研究，并利用高速相機獲得了流動沸騰流型，實驗結果發現肋陣通道可以顯著強化沸騰換熱效果，這主要是由于肋陣強化了核態沸騰和對流蒸發傳熱過程[12]。P. Asrar 等對包含圓形錯列肋陣的通道內流動沸騰流型進行了可視化研究，研究發現工質流經肋陣產生非常小的汽泡，最終形成霧狀流[13]。C. Falsetti 等對肋陣通道內流動沸騰流型、壓降、傳熱特點進行了全面的實驗研究，研究發現肋陣結構對兩相流型發展有較大影響，隨著質量流量和熱流密度的變化，沸騰傳熱系數有較大變化[14]。

M. Law等對三種不同肋間距的菱形肋陣通道內的流動沸騰換熱、壓降及不穩定性進行了研究，研究發現，肋間距越小，沸騰換熱效果越好，系統越穩定[15]。吳曉敏等對不同肋高的內肋管內流動沸騰換熱進行了實驗研究，研究發現超高齒微肋管換熱能力比普通齒微肋管高20%以上[16]。杜保周等對圓形、菱形、橢圓形肋陣通道內流動沸騰換熱進行了實驗研究，結果表明沸騰傳熱系數隨著熱負荷的增加而減小，兩相壓降隨著熱負荷的增加而增加，橢圓形肋陣通道的流動沸騰穩定性最好[17]。

綜上所述，肋陣結構有利于汽泡的成核、生長、擾動，強化流動沸騰換熱過程，同時增加了兩相壓降損失，使流動沸騰機理更加復雜，現有文獻中關于肋陣結構變化對自循環流動沸騰換熱影響的研究非常少。因此，本文采用可視化的研究手段，基于表貼式自循環蒸發冷卻系統，對不同參數的肋陣結構進行實驗研究，給出肋陣對汽泡沸騰過程的影響的可視化結果，對肋陣高度、間距、橫截面變化對沸騰換熱與兩相流動的影響進行分析，從而為肋陣強化換熱結構在表貼式蒸發冷卻系統中的工程應用提供設計參考。

1 實驗裝置

1.1 實驗系統

表貼式自循環蒸發冷卻實驗系統如圖1所示，整個回路包括液盒、冷凝器、加熱塊、數采儀、調壓器等設備。該系統是一種被動式自循環冷卻系統，液態工質在液盒內部經歷預熱、沸騰相變成為汽液混合物，同時回路內部左右兩側出現密度差，在重力作用下，推動工質循環。汽液混合物上升流出液盒，經過上升管到達冷凝器，汽液混合物遇冷放出熱量轉化為液態。冷凝器中的熱量最終由冷卻水帶走。液態工質經下降管再次進入液盒，完成一個冷卻循環過程。系統流量隨著加熱負荷的變化而變化，具有一定的自適應性。

本文采用加熱銅塊模擬電子設備發熱，加熱銅塊電阻值為17W，通過調壓器調節加熱銅塊熱負荷，最大熱負荷為2kW。加熱銅塊緊貼液盒背面，兩者之間均有涂抹導熱硅脂，以降低接觸熱阻對實驗的影響。加熱銅塊和背板之間中心布置熱電偶，液盒進、出口布置有膜片型壓力傳感器和T型熱電偶。壓力傳感器的量程為0～50kPa，精度為0.1%；熱電偶精度量程為200～600℃，精度為±0.2℃。流量計布置在液盒入口下方15cm的位置，流量計量選用小流量齒輪流量計，量程為5～1 000mL/min，測量精度為0.5%。實驗數據通過Fluke2860A數采儀實時傳輸到計算機。系統連接管路采用PU管，內徑8mm。

1.2 液盒

液盒結構和參數分別如圖2和圖3所示，液盒外邊緣尺寸為230mm×230mm×40mm，內部通道尺寸為180mm×180mm×20mm，主要包括可視化視窗、鋁制中間層、方形肋陣背板三部分。其中，液盒前部為可視化視窗，通過可視化視窗可以觀察液盒內部肋陣結構對沸騰換熱與兩相流動過程的影響。本次實驗選擇七種不同結構的肋陣背板，分別探究肋高、肋間距及橫截面變化對沸騰換熱與兩相流動壓降的影響，液盒背板肋陣結構詳細參數見表1。

圖2 液盒結構

圖3 液盒結構參數

表1 液盒背板肋陣參數

Tab.1 Parameters of rib array on the back of the liquid box

1.3 實驗流程

本文實驗選用實驗室自有碳氟化合物類蒸發冷卻介質，工質物性參數見表2。工質具有絕緣、低沸點、性能穩定、流動性好及對實驗所用材料無腐蝕性的特點，非常適合應用到電力電子設備冷卻中。

表2 工質物性參數

Tab.2 Physical properties of coolant

實驗開始前，初步加熱工質，通過冷凝器上方排氣口，多次連續排氣，排除不凝氣體對冷凝器性能的影響。實驗開始后，液盒加熱負荷從200W到800W逐步增加，間隔100W。整個實驗過程中，通過調節冷卻循環水量，維持冷凝器壓力穩定在10kPa左右。通過液盒可視化窗口對流動沸騰換熱過程進行觀察并記錄。當系統壓力、溫度等數據曲線趨穩并保持15min以上，開始記錄穩態實驗數據。

2 工程簡化計算

2.1 數學模型

本文采用集中參數法，忽略液盒通道內部參數水平方向差異，僅考慮垂直方向流動沸騰過程參數的變化，液盒的簡化物理模型如圖4所示?；谫|量、能量、動量守恒定律，建立液盒內部一維流動沸騰換熱模型。

圖4 液盒物理模型

加熱銅塊熱負荷包括工質冷卻帶走熱負荷和散熱損失熱負荷兩部分，其中散熱損失主要包括液盒、加熱塊表面和環境之間的自然對流散熱損失。

工質冷卻熱負荷為

式中，eff為工質帶走熱量的功率；electrical為電加熱的功率；env為液盒表面的散熱功率；sur為液盒表面積；1為液盒外邊緣寬度；1為液盒外邊緣厚度；box為加熱塊表面溫度；env為環境溫度；env為綜合表面傳熱系數。

工質在液盒內部依次經歷預熱和沸騰兩個加熱過程，根據工質能量守恒可分別得到預熱段長度pre和沸騰段長度evap，詳細計算過程如下。

預熱段：

沸騰段：

式中，2為液盒內流道寬度；1為液盒外邊緣高度；2為液盒內流道高度；2為液盒內流道厚度；為液盒橫向排布肋數量；1為肋橫截面寬度；3為肋高度；d為液盒流道橫截面積；in為工質進口焓值；sat為液態工質飽和焓值；out為工質出口焓值；為質量流速。

牛頓冷卻公式為[18]

根據式（8）得沸騰段平均傳熱系數為

式中，為肋陣高度；rib為單個肋橫截面周長；為肋陣傳熱系數；c為單個肋橫截面積。

整個液盒實驗段壓降主要包括液盒單相預熱段、沸騰段和局部阻力壓降三個部分[19]。液盒進、出口流道截面尺寸小于液盒內流動截面尺寸。當液態工質流入液盒時，存在突然擴大局部阻力壓降；當汽液混合工質流出液盒時，出口流動截面收縮，出現突然縮小局部阻力壓降；當液態工質進入液盒后，經歷預熱、沸騰過程，在工質沸騰過程中，主要的壓力損失包括摩擦及肋擾流阻力壓降、由于汽液加速造成的加速壓降以及重力壓降三部分。通過抽取單相預熱段、兩相沸騰段的重力壓降、加速壓降及局部阻力壓降可以得到液盒內部兩相沸騰段流動阻力損失，詳細計算過程如下。

預熱段總壓降為

式中，為水力直徑；為密度；為沿程水力摩阻系數；下標l為液相；為速度；為重力加速度。

沸騰段阻力壓降為

沸騰段加速壓降為

式中，為截面含汽率；為積分變量。

沸騰段重力壓降為

突然擴大壓降為

突然縮小壓降為

式中，為出口干度；為截面比；c為收縮比；為比體積；下標lg為液相變汽相的差值。

2.2 不確定度分析

為確保實驗的準確性，實驗開始前，采用冰水混合物對熱電偶進行校準，采用Fluke壓力校準儀對壓力表進行校準。液盒內部沸騰傳熱系數和阻力壓降不確定度根據誤差傳遞原理估算[20]，實驗參數的不確定度見表3。

表3 參數不確定度

Tab.3 Uncertainty of parameters

3 實驗結果與討論

本節對不同肋高、肋間距、肋橫截面積的七種液盒肋陣背板進行了實驗研究，熱負荷變化范圍為200～800W，間隔100W，冷凝器運行壓力穩定在10kPa左右。實驗獲得了不同肋陣結構的流動沸騰可視化流型圖和流動沸騰換熱與兩相壓降動態特性的變化曲線。

當液盒背面加熱負荷以后，液體工質預熱并逐漸達到沸點，從液態相變為汽態，液盒內工質密度減小，回路兩側由于密度差產生循環動壓頭，回路工質開始循環，此時回路循環流量相對較小，液盒內部主流區域處于層流狀態，如圖5所示。在肋陣后方產生了明顯的尾跡擾流，有學者在對肋陣強化換熱的研究中也發現了這種尾跡渦流現象[21]。這種尾跡流動會破壞液盒壁面的流動邊界層，強化液盒內部工質的擾動摻混，提高液盒內部對流換熱強度。

圖5 加熱初期流動

隨著加熱時間的增加，當液盒內部主流工質未達到飽和溫度時，肋陣周圍開始出現明顯的小汽泡，如圖6和圖7所示。熱負荷加熱初期，系統流量較小，汽泡在肋前部成核長大，外形近似圓形，此時表面張力起主要作用。隨著汽泡的長大，表面張力作用減弱，汽泡形狀變為橢圓形。正是由于汽泡的生長，強化了工質擾動，減小了肋前部邊界層厚度，有力地強化了液盒內部換熱效果。

圖6 肋陣間加熱初期汽泡

圖7 肋邊緣加熱初期汽泡

為揭示不同參數的肋陣結構對流動沸騰的影響規律，對加熱負荷500W工況下，不同肋陣背板液盒內部沸騰情況進行分析，結果如圖8～圖10所示。從圖中可以看出，由液盒下部入口到上部出口，汽泡生成量逐漸上升，較多的小汽泡聚集在液盒上方，呈現反復上下擾動的變化規律。正是由于肋陣結構的存在，強化了液盒內部汽泡之間的擾動，與此同時，小汽泡并不能聚合成為更大的汽泡，整體流動狀態呈現泡狀流流型。此外，液盒為窄矩形通道，扁平結構，液盒左右兩側工質溫度相比肋陣中心溫度低，在液盒內部同時形成兩側向中心的內循環流動，進一步強化了液盒內部沸騰換熱效果，這正是液盒均溫性好的體現，與文獻[22]中的結論一致。

圖8 1～3號不同肋高背板

圖9 5～7號不同肋間距背板

圖10 2、4、6號不同橫截面積肋背板

從圖8可以看出，隨著肋高增加，液盒內部總體沸騰情況基本一致，其中1號肋陣最左側背板位置出現較多汽泡，這說明相比其他兩塊肋板，其中心溫度相對較高。對比不同肋間距沸騰情況，由圖9可以看出，隨著肋間距增加，液盒內部汽泡沸騰份額有增加趨勢。當肋間距增大時，液盒內部核態沸騰面積降低，但同時液盒內阻力減小，自循環系統流量會增加一些，液盒內部汽泡擾動同步提高，這就強化了對流換熱過程，提高了液盒內部沸騰換熱量。當單個肋橫截面發生變化時，液盒內部整體汽相份額基本一致，如圖10所示，隨著橫截面積增加，肋陣周圍汽泡呈現減少趨勢，這說明肋陣橫截面增加可以強化液盒內部沸騰換熱。

圖11～圖13為液盒背面中心溫度曲線，隨著熱負荷升高，曲線均呈現單調遞增趨勢。從圖11中可以看出，1號肋陣中心溫度最高，2號肋陣中心溫度最低，這說明液盒內部沸騰換熱強化與兩相流動壓降增加之間存在最優肋高。從圖12中可以看出，隨著肋間距的增加，中心溫度呈現先降低后增加的變化趨勢，其中6號中心溫度最低，強化換熱效果最好，這說明肋陣強化換熱存在最優肋陣間距。在圖13中可以看出，隨著單個肋橫截面積的增加，中心溫度呈現逐漸降低的趨勢，2號溫度最高，對比方形肋陣參數，可以發現，盡管2號肋陣橫截面積較小，但整體排列較為緊密，肋陣之間工質流動困難，影響了肋陣內部流動換熱過程，因此，橫截面積大的肋強化沸騰換熱效果更好。

圖11 1～3號熱負荷中心溫度曲線

圖12 5～7號熱負荷中心溫度曲線

圖13 2、4、6號熱負荷中心溫度曲線

為進一步揭示肋陣結構參數變化對液盒內流動沸騰機理的影響規律，本文對肋陣結構與沸騰傳熱系數之間的關系進行分析，如圖14～圖16所示。隨著肋高的增加，傳熱系數呈現出先增加后減小的趨勢，肋高增加可以增加核態沸騰表面積，強化沸騰換熱，但當肋高增加帶來的兩相流動阻力超過系統循環動力時，傳熱系數開始下降，這是由該系統自循環特點決定的。隨著肋間距的增加，傳熱系數呈現先增加后減小的趨勢，這一變化曲線表明過小的肋間距，阻力過大，對沸騰換熱具有抑制作用，過大的肋間距沸騰換熱面積不足。隨著單個肋橫截面積的增加，傳熱系數呈現單調遞增的趨勢，單個肋橫截面積的增加雖然降低了核態沸騰面積，但降低了肋陣擾流損失，增加了循環流量，提高了總體沸騰傳熱系數。將肋高和肋間距對傳熱系數的影響進行對比，可以發現兩個參數均存在最優值，但肋間距對傳熱系數的影響更大，因此可以優先選擇優化肋間距來強化沸騰換熱。

圖14 肋高-傳熱系數

圖15 肋間距-傳熱系數

圖16 肋橫截面積-傳熱系數

肋陣在強化沸騰換熱的同時提高了液盒內部兩相流動阻力，兩者之間存在強烈的耦合關系。不同肋陣下液盒內熱負荷-流量變化趨勢如圖17～圖19所示。隨著熱負荷的增加，1～7號肋陣液盒內流量均呈現逐漸下降的變化趨勢，這表明隨著液盒內部汽泡的生成，液盒內阻力快速增大，并超過循環動力的增加值，因此流量呈現快速下降的變化趨勢。值得注意的是，當肋高逐漸增加時，液盒內部流量是變大的，表明增加肋高可以強化單面加熱液盒內部沸騰的均勻程度；肋間距過小，即肋排布過密時，系統阻力過大，不利于系統循環特性的改善；肋間距逐漸增加，工質流過肋間時，工質擾流損失增加，系統流量最小。

圖17 1～3號熱負荷-流量

圖18 2、4、6號熱負荷-流量

圖19 5～7號熱負荷-流量

在對如圖17～圖19所示自循環系統流動循環特點的分析基礎上，根據第2節建立的肋陣結構液盒內流動換熱數學模型，進一步對不同肋陣結構對液盒內部兩相流動壓降影響進行定量化研究。液盒內部流量-阻力曲線如圖20～圖22所示，均呈現出下降、升高再下降的變化趨勢。曲線從右往左，對應熱負荷的升高過程，這種變化趨勢也反映了流型從泡狀流到攪拌流，再到霧狀流的流型變化[23]。

隨著流量的不斷增加，液盒內部汽相份額逐漸減小，液相份額逐漸增加，此時汽相阻力占據主要份額，液盒總體阻力呈現不斷降低趨勢。當液相阻力占據主要份額時，黏性阻力和尾跡渦流損失不斷增加，總阻力開始呈現上漲趨勢。隨著系統流量繼續增加，液盒內部流動阻力呈現下降趨勢，這主要是由于表貼式自循環蒸發冷卻系統流量較小，流動處于層流狀態，流量不斷增加提高了液盒內部擾動，降低了黏性阻力損失。對比不同結構肋陣參數的變化，可以發現當肋高增加時，流量-阻力特性整體呈現向右上漂移趨勢；當肋間距增加時，流量-阻力特性整體呈現向左漂移趨勢；當單個肋橫截面積增加時，流量-阻力特性整體呈現向左漂移趨勢。

圖20 1～3號流量-阻力壓降

圖21 5～7號流量-阻力壓降

圖22 2、4、6號流量-阻力壓降

通過不同肋陣結構參數變化對液盒內部阻力影響的分析可知，表貼式蒸發冷卻系統液盒內部加肋在強化液盒內部沸騰換熱時，也提高了系統兩相流動阻力，熱負荷增加到一定程度后，阻力的增加意味著系統循環動力的減小，進一步導致流量減小，液盒內部回液不足，傳熱工況開始惡化。流量-阻力特性曲線的整體向左或右漂移說明系統對阻力增加較為敏感，因此系統在進行沸騰強化換熱時，需結合系統回路的兩相流動阻力特點尋找最優強化換熱肋陣結構。

4 結論

本文對方形肋陣表貼式蒸發冷卻系統液盒內不同肋高、間距、肋橫截面積的肋陣結構對流動沸騰換熱與兩相壓降的影響規律進行了實驗研究，實驗獲得了不同肋陣結構的流動沸騰圖。對肋陣對強化流動沸騰換熱的因素進行了分析，得到了不同肋陣結構對液盒內部強化換熱效果與兩相壓降之間的變化規律。主要結論如下。

1）通過可視化觀察發現，肋陣可以在液盒內部形成尾跡擾動，同時在主流未飽和情況下，最先在肋表面生成汽泡，熱負荷升高后，液盒內不同肋陣結構的流型均為泡態沸騰；對比不同肋陣結構對沸騰換熱的影響可以發現，肋高和間距對沸騰換熱的強化存在最優值，同等情況下，優先選擇提高肋間距來強化流動沸騰換熱。

2）根據液盒內部兩相流動沸騰換熱的特點，建立了液盒內部流動沸騰換熱計算模型，得到了液盒內部不同肋陣結構流動阻力循環特性均呈現二次曲線變化規律，肋陣結構參數的變化導致系統流動循環特性曲線整體漂移，流量的漂移是系統沸騰換熱效果及流型變化的定量化反映。

3）系統流動循環特性對強化換熱肋陣阻力變化的敏感性特點表明在對液盒內流動沸騰換熱過程進行強化時，要特別注意肋陣兩相流動阻力的變化。該研究結果為肋陣強化換熱結構的選擇及在自循環蒸發冷卻系統中的設計應用提供了重要的理論依據。

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Experimental Study on the Influence of Parameter Change of Square Rib on Flow Boiling Heat Transfer

Shi Yitao1Cao Rui1Ruan Lin1,2

（1. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 2. University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049 China）

To explore the influence of the change of rib structure parameters on the flow boiling heat transfer, a visual experimental study is carried out on the flow boiling heat transfer and two-phase pressure drop characteristics in the surface-mounted rib array liquid box. A liquid box with a cross-sectional area of 180 mm×20mm is used as the research object that was a visualized single-sided heating narrow rectangular structure. Seven kinds of rib array backplates with different rib heights, rib spacing, and rib cross-section were selected to study the flow boiling heat transfer characteristics in the liquid box. Through the visual observation of the boiling flow in the liquid box, it is found that The ribs significantly enhance the flow boiling heat transfer in the liquid box. Moreover, the study of the effect of different rib array parameters on boiling heat transfer found that with the change of rib array height and rib array spacing, the boiling heat transfer effect has an optimal value, and the boiling heat transfer coefficient increases as the cross-sectional area of the single rib increases. The flux-resistance pressure drop circulation characteristics in the liquid box are sensitive to the variation of the rib parameters, and the curves show the phenomenon of drifting to the left or the right in different degrees of drift with the changes of the rib array parameters. The research results provide an important basis for the engineering application of the square rib structure in the surface-mounted evaporative cooling system.

Surface mounted, rib array change, flow boiling, enhanced heat transfer, two-phase pressure drop

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210190

TM46

中國科學院前沿科學研究重點研究計劃資助項目（QYZDY-SSW-JSC026）。

2021-02-03

2021-10-10

史一濤 男，1986年生，博士，研究方向為電子裝備蒸發冷卻技術。E-mail：shiyitao@mail.iee.ac.cn

阮 琳 女，1976年生，教授，博士生導師，研究方向為電氣與電子裝備蒸發冷卻技術。E-mail：rosaline@mail.iee.ac.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）