羅小平，李海燕

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

粗糙度對微細通道納米流體臨界熱流密度（CHF）和不穩(wěn)定性的影響

羅小平，李海燕

（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

分別以去離子水和質量分數(shù)為0.3%的Al2O3-H2O納米流體為實驗工質，在水力直徑為1.24mm的矩形微細通道內進行飽和流動沸騰傳熱實驗研究。首先運用酸性拋光技術對矩形微細通道的壁面粗糙度進行處理，再采用SFS法獲得壁面粗糙度的顯微圖像，然后借助MATLAB對圖像進行灰度化處理，從而獲得粗糙度分別為25.3、38.7、51.2的3種實驗矩形微細通道。對比研究了去離子水和0.3%Al2O3-H2O（質量分數(shù)）納米流體在飽和流動沸騰傳熱過程中不同壁面粗糙度對臨界熱流密度（CHF）和納米流體流動不穩(wěn)定性的影響。研究結果表明：相同工況下，0.3%Al2O3-H2O納米流體的CHF比去離子水可提高18.37%～226.28%；隨著壁面粗糙度的增大，兩種工質的CHF均略有增大，但相比去離子水，0.3%Al2O3-H2O納米流體CHF隨壁面粗糙度增大而增大的趨勢更為明顯；通過對大量實驗數(shù)據(jù)綜合評估分析，發(fā)現(xiàn)微細通道壁面粗糙度的增大會使微細通道內流體流動的不穩(wěn)定性增大。

微細通道；納米流體；表面粗糙度；臨界熱流密度；不穩(wěn)定性

隨著高新科技的快速發(fā)展，在航天航空、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）、生物工程等領域，應用傳統(tǒng)空氣或水冷卻系統(tǒng)在微小空間已難以滿足高熱通量的散熱問題，微尺度制冷換熱技術自TUCKERMAN等提出后，一直被中外學者廣泛研究與應用[1-2]，因此研究高效節(jié)能穩(wěn)定的微細通道換熱器具有重要研究意義和應用前景[3]。WANG等[4]應用數(shù)值模擬的方法研究表明矩形微細通道相比梯形和三角形微細通道，其熱阻和壓降最低，最有利于流動沸騰傳熱。因此本次實驗研究選擇矩形微細通道。由于臨界熱流密度（CHF）是流體流動沸騰傳熱至關重要的限制條件之一，此外微細通道流動沸騰傳熱的不穩(wěn)定性嚴重影響相變傳熱系統(tǒng)的使用壽命，而粗糙度是影響沸騰傳熱不可忽略的主要因素之一。因此，本文旨在研究矩形微細通道壁面粗糙度對兩相流動沸騰傳熱的CHF和流體流動不穩(wěn)定性的影響。

本文作者課題組前期研究了換熱工質類型、入口過冷度、出口臨界熱力學干度、質量流速、外加磁場強度及微通道尺寸等因素對CHF的影響[5-7]，以及熱流密度、質量通量和入口過冷度對微細通道流動沸騰壓降波動特性的影響，從而評估了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性[8]。KHARANGATE等[9]研究了矩形通道中制冷劑FC-72單面受熱和雙面受熱時流動沸騰的CHF，并進行了可視化觀察和相應模型的建立。KIM等[10]研究了CHF的過早發(fā)生兩相流動沸騰傳熱系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，得出系統(tǒng)不穩(wěn)定性通常與劇烈壓力振蕩相關的結論，并用微通道散熱器兩相流CHF的實驗數(shù)據(jù)對比評估了基于分離流模型（SFM）和基于均勻平衡模型（HEM）的兩種兩相臨界流模型。BALASUBRAMANIAN等[11-12]研究了直微通道和拓展直微通道系統(tǒng)流動沸騰傳熱過程中的不穩(wěn)定性問題。此外已有學者研究了壁面粗糙度對池沸騰傳熱CHF的影響特性。如QUAN等[13]推出了粗糙度對池沸騰CHF影響的預測模型。KIM等[14]以飽和水為工質，以砂紙打磨的具有不同平均表面粗糙度（Ra在0.041～2.36μm）的銅表面上進行飽和沸騰實驗，研究表明CHF隨表面粗糙度的增大而增大，在最粗糙的表面（Ra=2.36μm）的CHF為1625kW/m2，大約是在最光滑的表面（Ra=0.041μm）兩倍。

由此可見，加熱表面粗糙度對沸騰傳熱過程中不穩(wěn)定性及CHF值有顯著影響。考慮到微細通道內流動沸騰傳熱過程的復雜性，關于CHF的優(yōu)化和系統(tǒng)不穩(wěn)定性的評估研究很大程度上是一個試錯過程。因此本文在前人的研究基礎上，通過化學拋光方法改變微細通道壁面粗糙度，得到灰度粗糙度分別為25.3、38.7、51.2的3種矩形微細通道。以去離子水和質量分數(shù)為0.3%的Al2O3-H2O的納米流體為工質，在不同粗糙度微細通道內進行流動沸騰傳熱實驗。實驗對比研究了去離子水和0.3%Al2O3-H2O納米流體在沸騰傳熱過程中壁面粗糙度對臨界熱流密度CHF的影響，以及粗糙度對納米流體流動不穩(wěn)定性的影響。為完善強化CHF的方法和系統(tǒng)不穩(wěn)定性的因素分析奠定基礎。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗平臺

微細通道流動沸騰實驗系統(tǒng)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由恒溫水箱、水泵、過濾裝置、轉子流量計、實驗段、ADAM-6017數(shù)據(jù)采集模塊、HC3160-HVG4型壓力變送器、溫度變送器和Pt100熱電阻、計算機、除泡器等組成。整個實驗系統(tǒng)是一個閉合循環(huán)回路系統(tǒng)，實驗工質經(jīng)PID恒溫控制儀監(jiān)控的恒溫水箱預熱后流入管道，部分工質經(jīng)主回路過濾裝置進入實驗段被加熱，其流量的大小由水泵和閥門配合調控，同時數(shù)據(jù)采集儀器將數(shù)據(jù)實時傳輸至工控機，從實驗段流出的工質經(jīng)除泡器回到恒溫水箱，從而實現(xiàn)主回路的循環(huán)過程；另一部分工質經(jīng)旁回路閥門調節(jié)回流至恒溫水箱，從而實現(xiàn)旁回路的緩沖作用。

圖1 實驗系統(tǒng)圖

1.2 實驗段

鋁基矩形微細通道實驗段如圖2所示。實驗段總長250mm、總寬80mm、總高55mm，采用微細電火花切割（MWEDM）加工15條水力直徑為1.24mm的3組矩形微細通道，精度等級IT6。微細道道單個通道截面如圖3所示，具體參數(shù)尺寸見表1。石英玻璃鑲嵌在蓋板里，高速攝影儀可通過石英玻璃對微細通道內實驗工質流動沸騰傳熱過程進行實時拍攝?；略O有電加熱板并在之間均勻涂抹導熱硅脂，加熱板的加熱功率由調壓器調控。為減少熱量損失，整個實驗段用保溫棉包裹，并用鐵絲包扎固定。

1.3 微細通道壁面粗糙度的表征

圖2 微細通道實驗段結構圖

圖3 單個通道橫截面示意圖

本實驗微細通道壁面的粗糙度處理采用對壁面損耗較小的OY-45A型酸性拋光劑[15-16]，具體步驟為將清洗后的微細通道去除油污，放置在拋光劑中30s（或60s）后再次清水沖洗并晾干，從而獲得3種粗糙度不同的微細通道。粗糙度的表征方法有多種[17-18]，主要可通過接觸式和非接觸式來檢測，本文采用對微細通道無損害的非接觸法-SFS來檢測。如圖4所示為圖像采集過程。因采集的圖像含有噪聲，必須經(jīng)過中值濾波、灰質化等預處理過程，將獲得的顯微圖像用MATLAB進行圖像處理[19]，對其進行濾波和角度矯正處理，得到RGB圖像，最后計算該采樣圖像的平均灰度粗糙度，該值默認為微細通道壁面的平均灰度粗糙度，從而以幅度參數(shù)均方根偏差δN來表征微細通道的壁面粗糙程度。如圖5所示為不同粗糙度的壁面所對應的三維灰度圖像，利用顯微成像技術獲得不同粗糙度下的微細通道壁面原始圖像中的圖。并計算得到未拋光處理的原始微細通道δN=51.2，第1次拋光處理后的微細通道δN=38.7，第2次處理后的微細通道δN=25.3。

1.4 實驗工質的配置及物性參數(shù)

0.3%的Al2O3-H2O納米流體的配置采用二步法[20-21]，加入分散劑（PEG）機械攪拌后并用超聲波振蕩儀振動3h，以獲得均勻穩(wěn)定的Al2O3-H2O納米流體，如圖6、圖7分別為本次實驗工質靜置24h后的實物圖及0.3%的Al2O3-H2O納米流體的TEM照片，由圖可知所配納米流體相對均勻穩(wěn)定，且分散性比較好，可用于實驗。實驗工質的物性參數(shù)如表2所示。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

圖4 圖像采集過程流程圖

表1 單個通道截面參數(shù)尺寸 單位：mm

圖5 微細通道壁面三維灰度圖

表2 實驗工質的熱物性參數(shù)

為研究壁面粗糙度對微細通道內流動沸騰傳熱CHF的影響，分別以去離子水和0.3%的Al2O3-H2O納米流體在3種不同粗糙度的微細通道內進行實驗，考慮到CHF一般發(fā)生在質量流速較小的時刻，故設定質量流速G的系列值為：43.39kg/(m2?s)、98.78kg/(m2?s)、148.18kg/(m2?s)、197.57kg/(m2?s)、247.00kg/(m2?s)、296.35kg/(m2?s)。采集進出口壓力Pin、Pout，進出口溫度Tin、Tout，上壁面溫度Tu1、Tu2、Tu3、Tu4，下壁面溫度Td1、Td2、Td3、Td4，結合基本參數(shù)按式(1)、式(2)計算微細通道基座底部上的有效熱流密度qeff和單個微細通道兩邊側壁和通道底部的平均熱流密度qe。實驗過程中調節(jié)電壓，改變熱流密度直至進出口溫差突然變化，壓降波動變大，即意味著CHF的發(fā)生，此刻qeff表示臨界熱流密度值qeff,c。查得鋁的熱導率λAl為228W/(m·℃)。

圖6 靜置24h后的實驗工質

圖7 0.3%Al2O3-H2O納米流體的TEM照片

為表征壁面粗糙度對沸騰傳熱過程0.3%Al2O3-H2O納米流體流動不穩(wěn)定性的影響。處理實驗中所測的進出口壓力差值信號，先將壓降波動認為是隨時間變化的一組離散序列，接著運用數(shù)理統(tǒng)計學中的數(shù)學期望與標準差對壓降波動信號進行定量分析，用期望值表征流體流動的平均程度，用標準差表征其偏離均值的不穩(wěn)定性程度，以此表征系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。計算公式見式(3)、式(4)，式中N為樣本容量，ΔPi為第i個樣本值。

2.1 CHF的判定及流動沸騰傳熱過程的可視化

流動沸騰傳熱的CHF是否發(fā)生可通過實驗采集的溫度和壓力來判定，壁面溫度突增，意味著流動沸騰傳熱方式已從核態(tài)沸騰轉化為膜態(tài)沸騰，即CHF發(fā)生；逐步增大熱流密度的某一刻壓降的幅值并沒有較大的變化，但其波動的劇烈程度有所下降，溫度基本上在一定值，意味著微細通道內氣泡形成氣膜，開始阻擋傳熱即CHF發(fā)生；壁面過熱度明顯變大，意味著在不斷加熱的過程中產生大量氣泡，長大并聚合在一起，產生氣膜，脫離泡核沸騰，轉入膜態(tài)沸騰即CHF發(fā)生。壁面過熱度可由式(5)、式(6)計算而得，式中TW為微細通道底部的溫度，ΔTsat為壁面過熱度。

微細通道流動沸騰實驗過程中，通過高速攝影儀（型號GV-A001-DM，拍攝頻率5130幀/秒）記錄微細通道不同工況下的流型。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)0.3%Al2O3-H2O納米流體和去離子水的流型均是呈周期性變化的，主要以液束環(huán)狀流、泡狀狀流、彈狀流、厚液膜環(huán)狀流、液膜蒸干局部干涸、液束環(huán)狀流再潤濕等流型周期循環(huán)，循環(huán)時間并不一致。如圖8所示為0.3%Al2O3-H2O納米流體在原始微細通道δN=51.2中進行流動沸騰實驗過程中各階段流型圖，此外在流型周期循環(huán)的過程中，壁面溫度隨時間變化圖如圖9所示，由圖可知，t=11s時壁溫明顯增大即意味著局部干涸處已經(jīng)大面積干涸并發(fā)生CHF，此時為了保證實驗系統(tǒng)的安全，立即停止實驗運行。

2.2 實驗誤差分析

為保證實驗結果的可靠性，進行實驗系統(tǒng)誤差分析。實驗系統(tǒng)中各實驗儀器的精度如表3所示。因此對于式(1)中熱流密度qeff，根據(jù)誤差傳遞理論估算其最大實驗儀器誤差見式(7)的結果，經(jīng)實驗評估實驗段保溫層保溫棉的熱損失大概占整體熱量的5%左右。故熱流密度qeff的實驗誤差為式(8) 所得的結果。

圖8 流動沸騰傳熱過程中流型循環(huán)圖

圖9 納米流體壁面溫度隨時間變化圖

表3 實驗數(shù)據(jù)精度表

3 實驗結果分析

3.1 流體介質對CHF的影響

為了對比研究質量分數(shù)為0.3%的Al2O3-H2O納米流體與去離子水對流動沸騰傳熱CHF的影響，在水力直徑為1.24mm的原始微細通道內，相同工況下進行實驗研究，如圖10所示為其相應的臨界熱流密度值qeff,c。分析發(fā)現(xiàn)相同工況下，0.3%Al2O3-H2O納米流體的CHF比去離子水的可提高18.37%～226.28%。其主要原因為納米顆粒的加入可增大導熱性和擾動性，可傳遞熱量，使氣泡不易在壁面形成氣膜，因此達到臨界狀態(tài)需要更高的熱流密度；此外流動過程中會有少量納米顆粒沉積在微細通道壁面，納米顆粒的沉積會使微細通道壁面接觸角減小，改善了加熱壁面的親水性，親水性好的加熱壁面產生氣泡直徑小、脫離頻率快，使氣泡脫離時能及時得到液體的補充，因此能有效提高CHF值，這一結論與AHN等[23]的研究結果一致。

圖10 流體介質對臨界熱流密度影響圖

3.2 壁面粗糙度對CHF的影響

為了研究粗糙度對兩種工質CHF的影響，在水力直徑為1.24mm 3種不同粗糙度的微細通道內以去離子水和0.3%的納米流體為工質進行流動沸騰傳熱實驗，實驗結果如圖11所示。發(fā)現(xiàn)隨著粗糙度的變小，去離子水的CHF值有所降低但并不明顯，而0.3%納米流體的CHF則會隨著粗糙度變小而較明顯的降低。分析原因是當壁面粗糙度減小時，納米顆粒對壁面的撞擊減弱，造成的紊流作用減小，導致?lián)Q熱性能變差，臨界熱流密度值也變??；另外考慮少量納米顆粒的沉降使壁面親水性增強，考慮固體表面的粗糙度對潤濕性的影響，引用Wenzel方程式(10)可說明納米顆粒的少量沉積使親水性增強進一步使微細通道壁面粗糙度Rf增大，從而使0.3%納米流體的CHF相比去離子水因粗糙度的減小而更明顯的減小。方程中粗糙度Rf定義為固體真實表面積和投影面積之比，顯然Rf≥1，且Rf越大，表面越粗糙[24]。

圖11 壁面粗糙度對臨界熱流密度影響圖

3.3 壁面粗糙對系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響。

為了研究壁面粗糙度對矩形微細通道0.3%Al2O3-H2O納米流體流動沸騰傳熱系統(tǒng)不穩(wěn)定性的影響，本實驗在質量流速為197.57kg/(m2?s)、熱流密度為28.4kW/m2工況下，在水力直徑為1.24mm的3種不同粗糙度的微細通道內進行實驗，分析壓降結果如圖12所示。對比分析圖12可知，粗糙度為δN=38.7的標準差比δN=25.3的高8%，而粗糙度δN=51.2的標準差比δN=25.3的高52%，壁面粗糙度增大，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性越大。其主要原因為在相同工況下，傳熱壁面越粗糙，壁面核化點就越多，越有利于氣泡的產生，單位時間內大量氣泡的長大與破滅增加了流體的擾動性；此外表面粗糙度的加大會對流體的流型產生一定的影響，從而促使流體流動的不穩(wěn)定性隨著壁面粗糙度的增大而增大。

4 結論

對質量分數(shù)為0.3%的Al2O3-H2O納米流體和去離子水為工質，在水力直徑為1.24mm，灰度粗糙度分別為25.3、38.7、51.2的3種矩形微通道進行飽和流動沸騰傳熱實驗，分析了有無納米顆粒對臨界熱流密度的影響，對比研究了兩種工質在沸騰傳熱過程中壁面粗糙度對臨界熱流密度CHF的影響，并定量評估了粗糙度對流體流動不穩(wěn)定性的影響。得出以下結論。

圖12 3種壁面粗糙度下流體流動不穩(wěn)定性對比圖

（1）與去離子水相比，0.3%Al2O3-H2O納米流體的CHF可提高18.37%～226.28%。其主要原因是納米顆粒的加入增大了導熱性和擾動性，使氣膜不易形成；同時少量納米顆粒的沉積使壁面親水性增強，氣泡脫離直徑減小，脫離頻率增大，從而使CHF延遲。

（2）在相同工況下，臨界熱流密度隨壁面粗糙度的增大的而略有增大，但總體而言增大趨勢并不明顯。0.3%Al2O3-H2O納米流體CHF的趨勢相比去離子水略為明顯，其原因有壁面粗糙度越大，對納米顆粒的撞擊作用越明顯，此外少量納米顆粒的沉積可進一步加大局部粗糙度，從而使0.3%納米流體的CHF比相去離子水因粗糙度的增大而增大略微明顯。

（3）0.3%Al2O3-H2O納米流體的流體流動的不穩(wěn)定性隨著壁面粗糙度的增大而增大。且相比粗糙度值δN=25.3的壓降標準差，粗糙度為δN=38.7的比其高8%，粗糙度δN=51.2的標準差比其高52%，故而粗糙度對微細通道流動沸騰傳熱不穩(wěn)定性的影響不可忽視。

[1] TUCKERMAN D B，PEASE R F W.High-performance heat sinking for VLSI[J]. IEEE Electron Device Letters，1981，2（5）：126-129.

[2] 葛洋，姜未汀.微通道換熱器的研究及應用現(xiàn)狀[J].化工進展，2016，35（s1）：10-15.GE Yang，JIANG Weiting.Study and application of microchannel heat exchanger[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2016，35（s1）：10-15.

[3] 高廣超，張鑫，李超.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].當代化工研究，2016（4）：83-84.GAO Guangchao，ZHANG Xin，LI Chao.Research and development of heat exchanger[J].Contemporary Chemical Industry Research，2016（4）：83-84.

[4] WANG H，CHEN Z，GAO J. Influence of geometric parameters on flow and heat transfer performance of microchannel heat sinks[J]. Applied Thermal Engineering， 2016，107：870-879.

[5] 張瑞達， 羅小平， 王維. 微槽道納米流體飽和沸騰CHF特性研究[J].低溫與超導，2013，41（6）：75-80.ZHANG Ruida，LUO Xiaoping，WANG Wei. Studies on CHF characteristics of nanofluid saturated boiling in microchannels[J].Chinese Journal of Low Temperature and Superconductivity，2013，41（6）：75-80.

[6] 唐楊.微槽道中磁流體的CHF特性研究[D].廣州：華南理工大學，2011.TANG Yang. CHF characteristics of magnetic fluid in microchannel[D]. Guangzhou：South China University of Technology，2011.

[7] 陳志靜，羅小平.豎直微槽道內沸騰換熱CHF實驗研究[J].低溫與超導，2012，40（3）：40-44.CHEN Zhijing，LUO Xiaoping.Study on boiling heat transfer CHF in vertical microchannels[J]. Journal of Low Temperature and Superconductivity，2012，40（3）： 40-44.

[8] 張霖，羅小平.微細通道納米制冷劑壓降波動特性研究[J].低溫工程，2016（3）：51-56.ZHANG Lin，LUO Xiaoping.Microchannel nanorefrigerant pressure drop characteristics of the study[J].Low Temperature Engineering，2016（3）：51-56.

[9] KHARANGATE C R，O’Neill L E，MUDAWAR I. Effects of two-phase inlet quality，mass velocity，flow orientation，and heating perimeter on flow boiling in a rectangular channel：Part 2 – CHF experimental results and model[J].International Journal of Heat &Mass Transfer，2016，103：1280-1296.

[10] KIM S M， MUDAWAR I.Review of two-phase critical flow models and investigation of the relationship between choking， premature CHF，and CHF in micro-channel heat sinks[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer，2015，87：497-511.

[11] BALASUBRAMANIAN K，LEE P S， JIN L W， et al.Experimental investigations of flow boiling heat transfer and pressure drop in straight and expanding microchannels——a comparative study[J]. International Journal of Thermal Sciences，2011，50（12）：2413-2421.

[12] BALASUBRAMANIAN K，JAGIRDAR M， LEE P S，et al.Experimental investigation of flow boiling heat transfer and instabilities in straight microchannels[J].International Journal of Heat& Mass Transfer，2013，66：655-671.

[13] QUAN X，DONG L，CHENG P.A CHF model for saturated pool boiling on a heated surface with micro/nano-scale structures[J].International Journal of Heat & Mass Transfer，2014，76（6）：452-458.

[14] KIM J，JUN S，LAKSNARAIN R， et al.Effect of surface roughness on pool boiling heat transfer at a heated surface having moderate wettability[J].International Journal of Heat & Mass Transfer，2016，101：992-1002.

[15] 張艷紅.鋁制品化學拋光新工藝的研究[D].太原：山西大學，2009.ZHANG Yanhong.Study on chemical polishing of aluminum products[D].Taiyuan：Shanxi University，2009.

[16] 郭美甜，張曉珊，孫甜，等.6061鋁合金堿性拋光液及工藝的研究[J]. 科技與創(chuàng)新，2016（19）：75-76.GUO Meitian，ZHANG Xiaoshan，SUN Tian，et al. 6061 aluminum alloy alkaline polishing liquid and technology research[J].Technology and Innovation，2016（19）：75-76.

[17] 張志航.基于小波分析的微細電火花線切割表面三維粗糙度評定研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.ZHANG Zhihang.Study on 3D roughness evaluation of micro-EDM cutting surface based on wavelet analysis[D]. Harbin：Harbin Engineering University，2012.

[18] 劉斌，馮其波，匡萃方.表面粗糙度測量方法綜述[J].光學儀器，2004，26（5）：54-58.LIU Bin，F(xiàn)ENG Qibo， KUANG Cuifang.Review of surface roughness measurement methods[J].Optics，2004，26（5）：54-58.

[19] 王健全，田欣利，郭防，等. 基于灰度信息的工程陶瓷磨削表面粗糙度評定[J].裝甲兵工程學院學報，2011，25（3）：86-90.WANG Jianquan，TIAN Xinli，GUO Fang，et al.Evaluation of grinding surface roughness of engineering ceramics based on gray level information[J].Journal of Armored Force Engineering College，2011，25（3）：86-90.

[20] 李新芳，朱冬生. 納米流體傳熱性能研究進展與存在問題[J].化工進展，2006，25（8）：875-879.LI Xinfang，ZHU Dongsheng. Study on progress and existing problems of heat transfer performance of nanofluid[J].Chemical Industry and Engineering Progress，2006，25（8）：875-879.

[21] 彭小飛，俞小莉，夏立峰，等. 納米流體懸浮穩(wěn)定性影響因素[J].浙江大學學報工學版，2007，41（4）：577-580.PENG Xiaofei，YU Xiaoli，XIA Lifeng，et al. Influencing factors of nanofluid suspension stability [J]. Journal of Zhejiang University Engineering Edition，2007，41（4）：577-580.

[22] 徐立，李玉秀，徐進良，等. 微通道中納米流體流動沸騰換熱性能研究[J].高?；瘜W工程學報，2011，25（4）：559-564.XU Li，LI Yuxiu，XU Jinliang，et al. Study on boiling heat transfer performance of nanofluids in microchannels[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2011，25（4）：559-564.

[23] AHN H S，KIM H，JO H J，et al. Experimental study of critical heat flux enhancement during forced convective flow boiling of nanofluid on a short heated surface[J].International Journal of Multiphase Flow，2010，36（5）：375-384.

[24] 趙亞溥.表面與界面物理力學[M].北京：科學出版社，2012：175.ZHAO Yapu.Surface and interface physical mechanics[M].Beijing:Science Press，2012：175.

Effect of surface roughness on nanofluid critical heat fluxes (CHF) in rectangular microchannels and instability

LUO Xiaoping，LI Haiyan
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Saturated flow boiling heat transfer in rectangular microchannels with a hydraulic diameter of 1.24mm was experimentally investigated. Deionized water and 0.3% Al2O3-H2O nanofluid were selected respectively as the working fluids. Rectangular microchannels’ surface roughness was disposed firstly by acidic polishing process，further sonic frequency system（SFS） method was adopted to obtain the microscopic images of surface roughness，and then these images were gray-scale processing by means of MATLAB. Accordingly，three experimental rectangular microchannels whose surface roughness was 25.3、38.7 and 51.2 respectively were acquired. Contrastive study on the effect of different surface roughness on nanofluid critical heat fluxes（CHF）and instability in the process of saturated flow boiling heat transfer of deionized water and 0.3%Al2O3-H2O nanofluid was carried out.Results indicated that under the same experimental conditions，the CHF of 0.3% Al2O3-H2O nanofluid can be increased by 18.37%—226.28% than deionized water. With the increase of surface roughness，the CHF of both of them increases slightly，but the rising tendency of 0.3%Al2O3-H2O nanofluid shows more obvious.Through the comprehensive evaluation and analysis of massive experimental data，it was found that the increase of microchannels’ surface roughness can make the instability of fluid in the microchannels increase.

microchannel；nanofluid；surface roughness；critical heat fluxes（CHF）；instability

TK124

A

1000–6613（2017）11–3947–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0523

2017-03-28；修改稿日期2017-05-05。

國家自然科學基金項目（21776096）。

及聯(lián)系人：羅小平（1967—），男，教授，主要從事微尺度相變傳熱研究。E-mail mmxpluo@scut.edu.cn。