姚鑫宇，程瀟，王晗，沈洪，吳慧英，劉振宇

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240）

引 言

隨著電子設(shè)備中元器件集成度和功率密度的不斷提高[1]，散熱問(wèn)題在諸如高性能CPU[2]、光伏電池[3]、燃料電池[4]、高功率激光器[5]等應(yīng)用中日益凸顯，導(dǎo)致設(shè)備性能下降[6]和故障率上升[7]。傳統(tǒng)風(fēng)冷和熱管冷卻等已無(wú)法滿(mǎn)足高熱通量的散熱需求，而微通道熱沉由于其高比表面積[8]，在冷卻能力上具有巨大的潛力。

相比單相流，微通道流動(dòng)沸騰可在較小的流量下獲得更高的換熱性能和更均勻的溫度分布。許多研究表明，壁面粗糙度會(huì)影響微通道流動(dòng)沸騰換熱性能。郭兆陽(yáng)等[9]研究了燒結(jié)型多孔表面管的池沸騰傳熱特性，發(fā)現(xiàn)去離子水在多孔管表面的起始沸騰過(guò)熱度小于光管，并且大顆粒尺寸多孔層強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于小尺寸顆粒。Jaikumar 等[10]發(fā)現(xiàn)相比光滑表面，多孔表面池沸騰的臨界熱通量提升了2.4倍，傳熱系數(shù)最高提升了6.5倍。程云等[11]對(duì)比了水在開(kāi)孔泡沫銅和光管加熱面的池沸騰特性，發(fā)現(xiàn)泡沫銅強(qiáng)化了水的池沸騰特性。Sujith 等[12]研究發(fā)現(xiàn)粗糙表面能增強(qiáng)氣泡成核并降低流動(dòng)沸騰壁面過(guò)熱度。楊冬等[13]研究了垂直多孔表面管的流動(dòng)沸騰換熱和阻力特性，發(fā)現(xiàn)多孔表面管在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)并沒(méi)有增加過(guò)多的阻力。流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性會(huì)嚴(yán)重影響微通道冷卻系統(tǒng)的可靠性。徐法堯等[14]發(fā)現(xiàn)由于微通道尺寸小，通道上游可壓縮容積對(duì)流動(dòng)不穩(wěn)定性影響較常規(guī)尺寸通道更大。杜保周等[15]發(fā)現(xiàn)在微通道中加入微肋陣可以抑制氣泡的反向流動(dòng)，從而減小沸騰不穩(wěn)定性。

直微通道中工質(zhì)混合程度低、邊界層沿流動(dòng)方向逐漸增厚，導(dǎo)致其散熱性能下降。波狀通道內(nèi)產(chǎn)生的二次流能強(qiáng)化流體混合，較直通道具有更好的換熱性能，波狀微通道內(nèi)的單相流動(dòng)傳熱已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展研究。Shen等[16]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比了直微通道和雙層波狀微通道熱沉的換熱特性，發(fā)現(xiàn)波狀微通道熱沉換熱性能有所提升。Lin 等[17]數(shù)值模擬研究了不同波長(zhǎng)和波幅的波狀微通道換熱特性，通過(guò)速度矢量圖，發(fā)現(xiàn)通道截面處產(chǎn)生的渦流是換熱性能提高的主要原因。Rosaguti 等[18]數(shù)值模擬研究了低Reynolds 數(shù)下正弦波微通道的換熱特性，發(fā)現(xiàn)通道中的Dean 渦隨Reynolds 數(shù)以及波幅和波長(zhǎng)的比值增大而增加，對(duì)于圓形和半圓形截面微通道，正弦波結(jié)構(gòu)帶來(lái)的換熱性能提升是壓降損失的1.5～1.8 倍。Zhou 等[19]通過(guò)有限體積法，研究了正弦波微通道的流動(dòng)換熱特性，發(fā)現(xiàn)渦旋的出現(xiàn)導(dǎo)致邊界層變薄，其傳熱系數(shù)比平直通道提升了2.8 倍。Metwally 等[20]數(shù)值模擬研究了均勻壁溫下正弦波紋板微通道的層流換熱流動(dòng)特性，認(rèn)為橫向渦流的出現(xiàn)與波幅和波長(zhǎng)的比值、Reynolds 數(shù)Re 和Prandtl 數(shù)Pr 有關(guān)。Sui 等通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，與直微通道相比，波狀微通道傳熱系數(shù)提高153%，壓降損失僅增大54%[21]；他們進(jìn)一步加工銅基正弦波微通道，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果[22]。Rush 等[23]實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到正弦波微通道中的渦旋，發(fā)現(xiàn)流動(dòng)不穩(wěn)定起始點(diǎn)隨Reynolds 數(shù)增大，逐漸從出口向入口移動(dòng)。Huang等[24]研究不同相位差正弦波硅微通道內(nèi)單相流的流動(dòng)摩擦特性和傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Re＞250，正弦波微通道的換熱性能比直微通道有了顯著的提升。Khoshvaght-Aliabadi 等[25]以水和乙二醇混合物作為工質(zhì)，研究了五種正弦波鋁微通道的散熱性能，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)和壓降隨著正弦波波長(zhǎng)減小或振幅增大而增大。

現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道中，大部分波狀微通道工作在單相流區(qū)域，而有關(guān)波狀金屬微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的試驗(yàn)研究鮮有報(bào)道。Tiwari 等[26]數(shù)值研究了波狀微通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰特性，發(fā)現(xiàn)其換熱性能的提升是由于波狀結(jié)構(gòu)可提高氣泡數(shù)密度并擾動(dòng)邊界層。Xia 等[27]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了正弦波和直型硅微通道內(nèi)的流動(dòng)沸騰特性，發(fā)現(xiàn)波狀壁面結(jié)構(gòu)可避免局部蒸干，從而穩(wěn)定地強(qiáng)化換熱。

超快激光加工作為一種新型微通道加工技術(shù)，可在通道壁面加工出多孔結(jié)構(gòu)，并具有加工時(shí)間短、精度高等優(yōu)勢(shì)[28]。利用超快激光可在金屬基板上加工出幾乎任意尺寸和形狀的彎曲微通道。

本文利用超快激光微加工技術(shù)，加工了具有三角形橫截面的銅基正弦波彎曲型（SW）微通道，以去離子水為工質(zhì)，在不同質(zhì)量流量和熱通量條件下開(kāi)展了流動(dòng)沸騰傳熱試驗(yàn)研究。試驗(yàn)獲得了微通道壓降和換熱特性，并通過(guò)可視化系統(tǒng)觀(guān)察通道下游的流型變化，分析了波狀微通道強(qiáng)化換熱機(jī)制和流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

如圖1 所示，去離子水由注射泵(Harvard Apparatus Pump33 DDS)輸送至測(cè)試段。去離子水通過(guò)磁力攪拌油浴鍋，預(yù)加熱至特定溫度，經(jīng)由過(guò)濾器后進(jìn)入測(cè)試段。試驗(yàn)過(guò)程中，去離子水由聚酰亞胺薄膜電加熱膜加熱，通過(guò)直流穩(wěn)壓電源(GPS-2303C GWINSTEK)精確控制加熱功率，氣液兩相流在冷凝器中冷卻并最終被回收。

在測(cè)試段內(nèi)沿流動(dòng)方向依次布置了6 根T 形熱電偶(Omega)。通道壓降由兩個(gè)壓力傳感器(Druck PMP 5076)測(cè)量。溫度和壓力數(shù)據(jù)由高頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Agilent 34970A)記錄。通過(guò)高速攝像機(jī)（Phantom Miro M310）實(shí)現(xiàn)對(duì)微通道內(nèi)流動(dòng)型態(tài)觀(guān)察，拍攝幀率2000幀/秒，分辨率為640×480像素，曝光時(shí)間為200 μs。

如圖2 所示，測(cè)試段由透明PC 蓋板、微通道熱沉、聚酰亞胺加熱膜和玻璃纖維G10基座組成，通過(guò)不銹鋼螺絲螺母實(shí)現(xiàn)封裝?；膬擅娣謩e布置有兩個(gè)測(cè)溫孔和兩個(gè)測(cè)壓孔，用于測(cè)量進(jìn)出口溫度和壓力。為降低多通道熱沉的進(jìn)口流量分配不均勻影響[29]，在測(cè)試段兩端設(shè)計(jì)了進(jìn)出口聯(lián)箱。聚酰亞胺加熱膜依照熱沉尺寸設(shè)計(jì)，緊貼熱沉背面，提供均勻熱流。微通道熱沉的尺寸為20 mm×10 mm×1 mm，利用超快激光加工了20 條正弦波微通道，正弦波遵循以下函數(shù)表達(dá)式

對(duì)于SW#1 和SW#2 微通道，波長(zhǎng)L 分別為2000 μm 和1000 μm，振幅C 均為100 μm，通道寬度D 均為200 μm。為實(shí)現(xiàn)更精確的溫度測(cè)量，在熱沉背面加工有4 條溝槽，間距4 mm，并將熱電偶埋設(shè)其中。直微通道通過(guò)相同的激光參數(shù)加工而成，圖3 展示了三種微通道的示意圖和實(shí)物圖。微通道截面形狀均為倒立等腰三角形，每個(gè)通道寬度為200 μm，深度為573 μm。

圖4 為微通道側(cè)壁面的掃描電鏡圖像，可觀(guān)察到超快激光加工的微通道壁面具有多孔粗糙結(jié)構(gòu)。微通道表面多孔結(jié)構(gòu)的形成與超快激光加工的動(dòng)態(tài)過(guò)程有關(guān)。當(dāng)激光束通過(guò)透鏡照射到工作材料表面時(shí)，能量集中在極小的面積上。光斑中心的材料比邊緣處吸收更多的能量，這導(dǎo)致在中心處熔化的液態(tài)金屬會(huì)被排到外圍并迅速凝固，形成粗糙表面。多孔粗糙結(jié)構(gòu)能夠增大換熱面積，并為核態(tài)沸騰提供充足的成核點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)處理及誤差分析

有效加熱功率Qeff和有效熱通量qeff為

其中，U 和I 為穩(wěn)壓源提供的電壓和電流，φ 為保溫系數(shù)(由試驗(yàn)測(cè)得),Abot為熱沉底面積。

Tw,x為當(dāng)?shù)乇诿鏈囟?，由一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱假設(shè)計(jì)算得

其中，Tbot,x為熱電偶直接測(cè)量得到的底面溫度，δ和k分別為熱沉厚度和銅熱導(dǎo)率。

質(zhì)量流量為

圖2 測(cè)試段示意圖Fig.2 Schematic diagram of test section

圖3 三種微通道示意圖Fig.3 Schematic diagram of three kinds of microchannels

圖4 微通道壁面掃描電鏡圖Fig.4 SEM image of side wall

其中，Ac為單個(gè)微通道截面積，v 為體積流率，ρ為流體密度，N為通道數(shù)。當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)為

其中，Amc為微通道總加熱面積，Tf,x為當(dāng)?shù)亓黧w溫度。

出口干度為

其中，γ和cp分別為流體汽化潛熱和比熱容,Tsat為流體飽和溫度，Tf,in為進(jìn)口流體溫度。

注射泵提供精確的體積流量控制，精度為±0.25%，壓力傳感器的測(cè)量精度為±0.1%，T 形熱電偶的測(cè)量精度為±0.2℃，直流穩(wěn)壓源輸出電壓電流的精度為±0.5%，通道截面尺寸由超景深顯微鏡（VHX5000）測(cè)量得到，精度為±2%。根據(jù)Moffat 不確定度理論[30]，試驗(yàn)中各主要物理量的不確定度如表1所示。

表1 試驗(yàn)誤差Table 1 Experimental error

1.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開(kāi)始前，將去離子水煮沸以去除其中的不凝性氣體。設(shè)置注射泵輸運(yùn)流量，工質(zhì)經(jīng)油浴鍋預(yù)熱后進(jìn)入測(cè)試段。為減少試驗(yàn)過(guò)程中的熱損失，整個(gè)測(cè)試段用保溫棉包裹。當(dāng)溫度、壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)記錄溫度壓力數(shù)據(jù)、拍攝流型圖像。本次試驗(yàn)采用三種不同質(zhì)量流量(43.43、65.14、86.86 kg/(m2·s))，熱通量變化范圍為0～300 kW/m2。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 通道壓降

圖5 給出了微通道壓降隨有效熱通量的變化。在單相流階段，有效熱通量的增加導(dǎo)致流體溫度升高，黏度降低，流動(dòng)阻力減小。因此通道壓降隨有效熱通量增加而緩慢下降。在進(jìn)入沸騰兩相流階段后，氣泡形成、長(zhǎng)大并逐漸占據(jù)通道內(nèi)的受限空間，導(dǎo)致通道壓降的急劇上升。由于波狀的通道結(jié)構(gòu)，正弦波微通道平均壓降較直微通道提高了14.4%。在相同熱通量下，壓降在單相階段隨著質(zhì)量流量減小而降低；但在沸騰兩相流階段，氣泡對(duì)通道的堵塞成為壓降增大的主導(dǎo)因素。在較低的質(zhì)量流量下，氣泡更容易堵塞通道，因此在沸騰兩相流階段，壓降隨著質(zhì)量流量的減小而增大。

2.2 當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)

圖5 通道壓降隨有效熱通量的變化Fig.5 Variation of channel pressure drop versus effective heat flux

圖6 當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)-出口干度曲線(xiàn)Fig.6 Local heat transfer coefficients as a function of outlet vapor quality for SW#1 microchannels

圖6 給出了SW#1 通道中當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)隨出口干度的變化。當(dāng)0＜xo＜0.04時(shí)，由于工質(zhì)相變潛熱的迅速吸收，傳熱系數(shù)急劇上升。結(jié)合通道下游流型圖可發(fā)現(xiàn)，氣泡成核往往發(fā)生在凹形區(qū)域。沸騰初始階段的換熱主導(dǎo)機(jī)制是核態(tài)沸騰，其換熱強(qiáng)化是由于氣泡和壁面間的液膜蒸發(fā)和泡狀流帶來(lái)的強(qiáng)烈擾動(dòng)。隨著有效熱通量的增加，出口干度逐漸提高，拉長(zhǎng)的彈狀氣泡逐漸占據(jù)通道，在這一階段，彈狀氣泡和壁面間的薄液膜蒸發(fā)逐漸占據(jù)主導(dǎo)，核態(tài)沸騰被抑制，只能觀(guān)察到少量小氣泡在液膜中產(chǎn)生。當(dāng)0.04＜xo＜0.06 時(shí)，由于局部液膜蒸干現(xiàn)象的出現(xiàn)，傳熱系數(shù)迅速下降。當(dāng)xo＞0.06 時(shí)，彈狀流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流，穩(wěn)定的薄液膜蒸發(fā)成為換熱主導(dǎo)機(jī)制，核態(tài)沸騰被完全抑制，此時(shí)當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)隨出口干度的變化趨于穩(wěn)定。

圖7 當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of local heat transfer coefficients

圖7對(duì)比了相同質(zhì)量流量下直微通道和正弦波微通道的當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)。可以看到在單相流和核態(tài)沸騰階段三種微通道傳熱系數(shù)的曲線(xiàn)基本重合，而在薄液膜蒸發(fā)階段，直微通道的傳熱系數(shù)隨熱通量增加而迅速下降。而SW#1 和SW#2 微通道傳熱系數(shù)下降較緩。當(dāng)qeff= 113.9 kW/m2時(shí)，SW#1 和SW#2 微通道的傳熱系數(shù)分別比直微通道提高了48.2%和127.7%。

2.3 流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性

圖8給出了微通道流動(dòng)沸騰時(shí)溫度和壓降的振蕩情況。對(duì)于直通道和正弦波通道，出口溫度均保持在飽和溫度（100℃）附近。如圖8(a)所示，直通道壁面溫度的振蕩周期約為6 s，Tw,1,Tw,2,Tw,3,Tw,4的振幅分別為33、27、25、17℃。如圖8(b)所示，SW#2 微通道熱沉的壁面溫度振蕩周期約為10 s，Tw,1,Tw,2的振幅分別為10、5℃，Tw,3和Tw,4基本保持不變。溫度振幅在微通道上游處更大，正弦波微通道的溫度振蕩頻率和振幅均比直微通道低，其流動(dòng)沸騰過(guò)程更為穩(wěn)定。圖8(c)給出了兩種不同微通道內(nèi)壓降的振蕩情況，正弦波微通道平均壓降高于直微通道，但壓降的振幅明顯受到抑制。

流動(dòng)沸騰不穩(wěn)定性可歸因于以下幾點(diǎn)：（1）氣泡和壁面間的液膜快速蒸發(fā)導(dǎo)致局部干涸，壁面溫度突然上升；隨著氣泡從成核點(diǎn)脫離，液體重新潤(rùn)濕壁面，溫度下降。對(duì)于正弦波微通道，凹形區(qū)域可為氣泡生長(zhǎng)提供充足液體，減少局部干涸現(xiàn)象。（2）當(dāng)成核區(qū)靠近通道進(jìn)口時(shí)，回流方向流動(dòng)阻力減小，回流現(xiàn)象更易發(fā)生。由于正弦波微通道具有更大的換熱面積，其壁面平均溫度較直微通道更低，延緩了成核區(qū)向上游移動(dòng)。（3）如圖8(a)、(b)所示，由于可壓縮容積的存在，氣泡在直微通道內(nèi)同時(shí)向上游和下游方向生長(zhǎng)。而在正弦波微通道內(nèi)，彎曲壁面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致阻力增加，氣泡難以向上游延伸長(zhǎng)大，從而抑制了流動(dòng)不穩(wěn)定發(fā)生。

圖8 直微通道和正弦波微通道內(nèi)溫度和壓降振蕩Fig.8 Fluctuations of temperature in straight and SW#2 and fluctuations of pressure drop(G=43.43 kg/(m2·s),qeff = 99.8 kW/m2)

3 結(jié) 論

本文借助超快激光微加工技術(shù)在銅基表面加工出正弦波彎曲型微通道，以去離子水為工質(zhì)，對(duì)波狀微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

（1）超快激光微加工技術(shù)在金屬微通道加工中具有巨大潛力，可加工出多孔粗糙表面，利于氣泡成核。

（2）在沸騰初始階段，核態(tài)沸騰為換熱主導(dǎo)機(jī)制；隨著熱通量的提高，流型經(jīng)歷泡狀流-彈狀流-環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變，換熱主導(dǎo)機(jī)制由核態(tài)沸騰過(guò)渡到薄液膜蒸發(fā)。

（3）波狀通道壁面結(jié)構(gòu)增大了換熱面積，凹形區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)存的液體可避免局部蒸干。彎曲微通道較直微通道傳熱系數(shù)最大提高127.7%，壓降僅增加14.4%。同時(shí)流動(dòng)不穩(wěn)定性也得到了有效的抑制。