黃龍，王松明，劉昭亮，王玉潔，呂龍

（江蘇海事職業(yè)技術學院輪機工程學院，江蘇南京 211112）

0 引言

電子元件日趨高度集成化及微型化，帶來高熱流散熱的問題，其發(fā)展受到溫控技術的制約。噴霧冷卻技術具有高熱流密度冷卻的特點，是解決電子元件散熱問題的關鍵技術，受到國內(nèi)外學者的廣泛關注[1-2]。

噴霧冷卻散熱存在臨界熱流，當超過該臨界點時，可能進入膜態(tài)沸騰，傳熱惡化[3]。因此臨界熱流密度是評價噴霧冷卻換熱性能優(yōu)劣的重要指標。國內(nèi)外學者針對噴霧冷卻臨界狀態(tài)進行了深入研究，MUDAWAR等[4]研究了噴霧冷卻臨界熱流變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當傳熱進入極限狀態(tài)時表面熱膜不連續(xù)，部分表面干涸，此時傳熱能力也達到最大；若增大噴霧顆粒粒徑及初始沖擊速度可以使臨界傳熱能力提升，驗證了液膜不連續(xù)導致傳熱惡化。SODTKE等[5]采用紅外攝像機，觀察了散熱表面三相接觸線與熱流密度之間的關系，研究發(fā)現(xiàn)微結構表面的三相接觸線的長度比光滑表面提升了40%，此時臨界熱流也相應提升了45%。謝寧寧等[6]借助高速攝像儀對噴霧冷卻過程進行可視化研究，實驗發(fā)現(xiàn)體積流量較小時，散熱表面液膜不連續(xù)，此時蒸發(fā)較為劇烈，較快進入臨界狀態(tài)。張蓓樂等[7]研究了液氮低溫噴霧技術，結果發(fā)現(xiàn)當傳熱達到臨界狀態(tài)時，噴霧體積流量越大，降溫速率越快，測試表面的溫度均勻性得到提升。劉紹彥等[8]采用相位多普勒粒子分析儀，研究了噴霧參數(shù)對臨界熱流的影響，結果表明噴霧粒徑在表面的分布呈現(xiàn)出中間小、周邊大的趨勢，霧滴速度呈現(xiàn)出中間大、周邊小的變化規(guī)律；當達到臨界狀態(tài)時表面中間的散熱先失效。王高遠等[9]研究微納復合結構表面上的液滴鋪展及蒸發(fā)特性，結果表明微納復合表面有利于增強液滴的鋪展和蒸發(fā)，促進表面熱量的傳遞，并且將表面達到臨界狀態(tài)后傳熱惡化的原因歸于表面出現(xiàn)了干涸現(xiàn)象。劉妮等[10]搭建了一套閉式噴霧冷卻系統(tǒng)分析微槽道表面?zhèn)鳠崽匦苑治觯Y果表明微結構的存在有助于較小液膜的厚度，促進了傳熱進入沸騰階段，但是當傳熱進入臨界狀態(tài)時，表面容易出現(xiàn)干涸導致傳熱惡化。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，有學者通過觀測表面液膜的分布及液滴在表面分布的方法來研究噴霧冷卻臨界傳熱能力，并歸因于臨界狀態(tài)時液膜不連續(xù)及干涸現(xiàn)象[11-14]。如果超過臨界狀態(tài)表明散熱失效，將導致熱量在元器件表面淤積，甚至損毀元器件。當實際觀測液膜和液滴在表面分布情況時，局限性較大。將液膜分布不連續(xù)作為臨界失效原因目前還沒有成為定論，也可能存在其他原因?qū)е聜鳠崾А?/p>

本文研究了噴霧冷卻臨界狀態(tài)傳熱失效，實時監(jiān)測熱流密度、傳熱系數(shù)和表面溫度的變化規(guī)律分布均勻性，分析了噴霧冷卻散熱極限換熱的機理。

1 噴霧冷卻實驗系統(tǒng)及實驗方法

1.1 噴霧冷卻實驗臺

圖1所示噴霧冷卻系統(tǒng)原理圖及實物圖。包括儲液罐、高壓水泵、流量計、模擬熱源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

待冷卻實驗件實物圖如圖2所示，由底部加熱塊、銅柱和壓板組成。在銅柱上打孔作為測溫孔，測點之間距離為8 mm，分別距離熱表面為17、25、33和41 mm。

圖1 噴霧冷卻實驗系統(tǒng)

圖2 分體式模擬熱源加熱塊實物圖

模擬熱源由6根功率為200 W圓柱形加熱棒及調(diào)功器構成。模擬熱源加熱塊外壁面進行絕熱處理，在其四周包裹硅酸鋁纖維棉材料，最上端選用聚四氟乙烯進行封裝，保溫并封裝后的模擬熱源加熱塊實物如圖3所示。

模擬熱源散熱實驗件表面為直徑 2.4 cm的圓形，圖4所示為微槽道表面結構示意圖及實物圖，表1所示為微槽道表面幾何參數(shù)。

圖3 模擬熱源加熱塊實物圖

圖4 微槽道表面結構示意圖及實物圖

表1 微槽道表面幾何參數(shù)

1.2 噴霧冷卻實驗方法

針對失效階段熱流密度、傳熱系數(shù)和表面溫度分布三方面分析臨界狀態(tài)后傳熱開始惡化的原因。

實驗步驟：1）選取光滑散熱實驗件表面為待冷卻對象，進行保溫封裝；2）開啟調(diào)功器調(diào)節(jié)功率；3）利用高壓水泵為噴霧工質(zhì)提供動力，通過調(diào)節(jié)輸送管道閥門，維持每個工況流量穩(wěn)定，噴霧工質(zhì)霧化后與待冷卻表面進行熱交換；4）實時監(jiān)測散熱表面上4層熱電偶測得的溫度，并進行數(shù)據(jù)采集，完成一個加熱功率下的工況；5）加大模擬熱源加熱功率，直至表面溫度開始出現(xiàn)階躍性變化；6）立刻關閉熱源加熱系統(tǒng)，保持噴霧體積流量不變，持續(xù)對表面降溫至表面溫度恢復到臨界狀態(tài)前，完成失效階段噴霧冷卻實驗；7）更換散熱表面，重復1）～ 6）的實驗流程完成微槽道表面噴霧冷卻失效實驗。

1.3 噴霧冷卻實驗數(shù)據(jù)處理

模擬熱源周圍填充纖維棉，導熱系數(shù)僅為0.031 W/(m·K)，模擬熱源紫銅的導熱系數(shù)為387.4 W/(m·K)，兩者相差近1,000倍，理論上符合一維導熱的規(guī)律。

為了驗證模擬熱源是否具備良好的一維導熱特性，先通過FLUENT軟件對熱源上端的溫度分布梯度進行仿真驗證。仿真計算時設定加熱量為1,000 W，銅塊外壁設置導熱系數(shù)為0.031 W/(m·K)。

圖5所示為熱源沿軸向的溫度分布。由圖5可知，熱量從熱源底部沿著銅柱向上呈線性變化，熱源沿著頸部軸向基本符合一維穩(wěn)態(tài)導熱規(guī)律。

圖5 熱源熱源沿軸向的溫度分布

在模擬熱源銅柱上，從下至上依次布置溫度傳感器，每一層布置4個溫度傳感器，用來計算表面不同位置溫度：測點1位于中心處，測點2距離中心5 mm，測點3距離中心10 mm，測點4距離中心11 mm；測點布置剖視圖如圖6所示。

采集每個溫度傳感器數(shù)據(jù)，利用一維導熱計算公式擬合得到熱表面溫度，可求得表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。

表面熱流密度的計算可通過式(1)[15]得出。

式中：

q——熱流密度，W/cm2；

λ——紫銅導熱系數(shù)，W/(cm·K)。

圖6 單層溫度傳感器布置剖視圖

?T(y)/?y由T1～T4擬合得出，T1～T4為自上而下布置的4組溫度傳感器測量得到的溫度；兩個測點之間距離為8 mm；測點分布如圖7所示。

圖7 溫度測點布置（單位：mm）

傳熱系數(shù)K也是表征噴霧冷卻換熱性能的重要參數(shù)。

式中：

Q——模擬熱源總熱量，W；

Tin——噴嘴入口溫度，℃；

Tw——熱表面溫度，℃；

A——微槽道表面面積，cm2；

K——傳熱系數(shù)，W/(cm2·℃)。

1.4 誤差分析

模擬熱源測量溫度用的K型熱電偶，最大不確定度為±0.5℃；熱源軸線上熱電偶擬合溫度的斜率最大不確定度為±0.02；熱電偶安裝位置處由于加工工藝局限，誤差在±0.1 mm；擬合 4個熱電偶溫度分布斜率的最大不確定度為±0.01；熱電偶的位置由加工工藝決定，不確定度為±0.1 mm；噴嘴入口處工質(zhì)溫度由Pt100鉑電阻測得，精度為A級，其不確定度為±0.14℃。根據(jù)王瑜等[16]給出的誤差傳遞函數(shù)計算本實驗中熱流密度、表面溫度和傳熱系數(shù)的不確定度分別為±5.1%、±2.2%和±5.5%。

2 實驗結果與分析

2.1 表面平均溫度及傳熱系數(shù)隨時間的變化

以光滑表面及微槽道表面為研究對象，實驗分析了噴霧冷卻達到臨界狀態(tài)后失效階段的散熱情況。首先關閉模擬熱源，然后維持噴霧流量在0.15 L/min，實時記錄表面溫度變化，分析該散熱過程中的溫度及傳熱系數(shù)變化規(guī)律，用于分析臨界狀態(tài)噴霧冷卻失效原因。

圖8所示為光滑表面及微槽道表面在失效階段散熱過程中表面平均溫度隨時間的變化。由圖8(a)可知，當散熱時間從0 s增加至350 s時，光滑表面平均溫度下降了18%，而散熱時間為350 s時，表面平均溫度發(fā)生突變，迅速由97.44℃降至82.74℃。由圖8(b)可知，微槽道表面失效階段散熱表面平均溫度先是緩慢下降，當散熱時間為875 s時表面平均溫度從 95℃瞬間突變至 71℃。失效階段兩種表面的表面平均溫度變化趨勢基本一致，區(qū)別只是發(fā)生突變的時間及溫度不同，微槽道表面失效階段持續(xù)時間比光滑表面長，且微槽道表面發(fā)生突變時對應的表面溫度高于光滑表面。

對比光滑表面與槽道表面平均溫度隨時間的變化發(fā)現(xiàn)，均存在溫度突變點，只是出現(xiàn)的時間槽道表面要比光滑表面晚。造成該現(xiàn)象的原因是由于槽道表面液膜本身比光滑表面薄，導致達到臨界狀態(tài)后，槽道表面干涸區(qū)域比光滑表面大，傳熱能力恢復需要的時間更久。

圖9所示為光滑表面及微槽道表面在散熱過程中傳熱系數(shù)隨時間的變化。由圖9可知，光滑表面在開始散熱階段傳熱系數(shù)基本維持在0.52 W/(cm2·℃)，當散熱時間達到 340 s時，傳熱系數(shù)迅速升至4.13 W/(cm2·℃)；微槽道表面工況散熱開始時，傳熱系數(shù)基本維持在0.72 W/(cm2·℃)左右不變，當散熱時間為875 s時，傳熱系數(shù)迅速升至4.53 W/(cm2·℃)。

圖8 散熱過程中熱沉表面平均溫度隨時間的變化

圖9 散熱過程中傳熱系數(shù)隨時間的變化

綜上所述，無論是光滑表面還是槽道表面，其散熱能力在一定時間內(nèi)是失效的，而超過該時間后會發(fā)生突變，散熱能力得到恢復。

2.2 噴霧冷卻傳熱失效原因分析

為了解釋出現(xiàn)上述現(xiàn)象，本文從表面狀態(tài)及表面溫度變化規(guī)律來分析原因。

圖10所示為失效到傳熱恢復階段表面狀態(tài)的變化。由圖10(a)可知，表面有一層白色霧狀薄膜，并且在表面周圍有很多沸騰氣泡，表明表面大量工質(zhì)汽化，形成霧狀空氣層，而表面周圍熱量通過熱傳導傳遞，周圍工質(zhì)沸騰形成氣泡。由圖10(b)可知，表面中心處液滴直接與表面接觸。由圖11(c)可知，表面上也有更多較為明顯的陰影，表明更多的部分接觸到了液滴。由圖10(d)可知，表面上已經(jīng)基本沒有白色霧狀薄膜，可明顯觀察到液滴與表面接觸。

圖10 光滑表面失效到傳熱恢復階段表面狀態(tài)的變化

綜上所述，整個散熱過程中表面狀態(tài)及傳熱形式均發(fā)生改變。因此將從表面溫度分布情況分析傳熱失效的原因。圖11所示為光滑表面在不同散熱時間下，表面溫度隨測點距離的變化。

圖11 光滑表面在不同散熱時間下，表面溫度隨測點距離的變化

由圖11可知，當散熱時間0 s（傳熱過臨界點）時，表面溫度分布接近110℃不變，此時表面與液滴之間有一層空氣層，傳熱基本依靠導熱，與液滴之間的對流換熱能力基本為零；當散熱時間為200 s（傳熱失效階段）時，表面溫度比初始狀態(tài)時有所降低，平均溫度在 99℃左右，表面溫度分布也開始有微弱波動；當散熱時間達到轉折點350 s（傳熱能力突變）時，表面溫度不均勻性又減弱了，有的表面溫度較低，而有的表面溫度還維持較高的溫度，即表面熱量傳遞有一部分依靠導熱，又有一部分依靠對流換熱，此時表面與噴霧工質(zhì)之間空氣薄膜已經(jīng)不連續(xù)了；當散熱時間達到400 s（傳熱恢復階段）時，可以明顯看出表面溫度下降至 75℃左右，表面溫度分布也不均勻，原因是此時主要是依靠噴霧工質(zhì)與表面之間對流換熱，受流動狀態(tài)影響，表面溫度分布不均勻。

分析表面溫度的變化可知，在散熱失效階段，溫度均超過了噴霧工質(zhì)的沸點，對比散熱時間 0 s和200 s時表面溫度從110℃降至99℃，溫度下降了10%，雖然還有換熱能力，但是相比于噴霧冷卻失效前，換熱能力被大大削弱。這都表明此時傳熱以熱傳導為主，因為當表面達到臨界狀態(tài)后，其表面溫度迅速上升，大量液滴汽化形成空氣層，而且熱沉表面附近的溫度梯度進一步變大，當液滴撞擊下來時加速度減小，導致液滴在到達熱沉表面之前速度銳減，大部分液滴沒有足夠的速度能夠撞擊到熱沉表面，因此換熱效果持續(xù)惡化[17-20]。

綜上所述，在噴霧冷卻失效后的散熱過程中，表面溫度緩慢降至一定數(shù)值后，噴霧冷卻的蒸發(fā)和沸騰換熱方可恢復。因此對于噴霧冷卻系統(tǒng)，不能等到表面溫度升高到一定程度時再開啟噴霧冷卻系統(tǒng)，否則表面溫度難以迅速降至要求值，將大大影響換熱性能。因此在噴霧系統(tǒng)的應用中需要嚴格控制表面溫度，防止表面溫度過高時系統(tǒng)冷卻功能失效。

3 結論

本文研究了噴霧冷卻換熱失效階段，得到光滑表面和微槽道表面溫度及傳熱系數(shù)的變化規(guī)律，分析了表面溫度及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律，得到如下結論：

1）在噴霧冷卻失效階段，光滑表面和槽道傳熱系數(shù)分別為 0.52 W/(cm2·℃)和 0.72 W/(cm2·℃)，遠遠低于噴霧冷卻正常工作得到的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，光滑表面與槽道表面平均溫度隨時間的變化中，均存在溫度突變點分別為97.44℃和95℃，只是在槽道表面出現(xiàn)得要比光滑表面晚，此時傳熱開始從失效階段向正常階段恢復；

2）觀察表面狀態(tài)分布情況發(fā)現(xiàn)初始階段有一層白色霧狀薄膜，此時表面周圍熱量通過熱傳導傳遞，傳熱能力銳減。當表面溫度降低至沸點時表面中心處液滴開始直接與表面接觸。并且更多的表面部分接觸到了液滴。直至表面上已經(jīng)基本沒有白色霧狀薄膜，可明顯觀察到液滴與表面接觸；

3）在霧冷卻失效階段，散熱表面溫度分布均勻且緩慢下降，因為此時整個表面?zhèn)鳠嵋詿醾鲗橹?；當傳熱能力恢復后，表面溫度分布開始波動，由于此時的傳熱開始以對流換熱為主，表面工質(zhì)流動極大影響表面溫度分布。