林清宇，吳佩霖，馮振飛，艾鑫，黃魁，李歡

（1 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2 廣西大學(xué)廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；3 廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西南寧530004）

近年來隨著核聚變、航空航天及微機(jī)電系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的高速發(fā)展，換熱設(shè)備的工作溫度正在不斷提高。高熱通量下設(shè)備的散熱問題嚴(yán)重制約著這些先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，單相的螺旋通道強(qiáng)化傳熱技術(shù)已難以滿足如此高的散熱要求。由此，學(xué)者們開始探索螺旋通道和相變傳熱相結(jié)合的復(fù)合強(qiáng)化傳熱技術(shù)，以滿足上述要求。相變傳熱可分為凝結(jié)傳熱和沸騰傳熱。本綜述主要關(guān)注的是螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱研究。

螺旋通道因其結(jié)構(gòu)緊湊、相同體積下傳熱面積大、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于制冷、電力、化工、航空、核工業(yè)等行業(yè)[1]。與直通道相比，螺旋通道特有的螺旋結(jié)構(gòu)使流體在管內(nèi)流動時，能產(chǎn)生垂直于主流流動方向的二次流。這種二次流能減薄邊界層的厚度，增大冷熱流體的混合程度，從而強(qiáng)化傳熱[2-4]。因此，學(xué)者們分別從不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同的操作參數(shù)等方面對螺旋通道內(nèi)的沸騰傳熱特性進(jìn)行了研究。Owhadi等[5]是最早一批對螺旋通道內(nèi)水的流動沸騰傳熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的科研人員。隨后，諸多學(xué)者[6-9]紛紛對螺旋通道內(nèi)的流動沸騰傳熱展開了研究，并取得了一些重要的研究成果。表1匯總了部分螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱文獻(xiàn)及提出的相關(guān)關(guān)聯(lián)式。

表1 部分螺旋通道沸騰傳熱文獻(xiàn)主要結(jié)論及關(guān)聯(lián)式總結(jié)

續(xù)表1

續(xù)表1

續(xù)表1

由于流動沸騰傳熱本身就是一種伴有相變和兩相流動的復(fù)雜傳熱過程，而且流體在螺旋通道內(nèi)的流動時還要受二次流的影響，因此螺旋通道中傳熱過程比直通道中要復(fù)雜得多。雖然對于螺旋通道內(nèi)的流動沸騰傳熱研究已有一些進(jìn)展，但仍存在一些亟待解決的問題，目前對于螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱機(jī)理和規(guī)律的研究仍在不斷發(fā)展和更新中。經(jīng)統(tǒng)計，在SCI 數(shù)據(jù)庫中以“helical”與“flow boiling”為關(guān)鍵詞在主題中進(jìn)行檢索，其檢索結(jié)果如圖1所示。由圖可知，雖然關(guān)于螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱的公開文獻(xiàn)整體數(shù)量較少，但其數(shù)量基本上呈逐年增加的趨勢。這說明螺旋通道內(nèi)的流動沸騰正逐漸受到學(xué)者們的關(guān)注。

目前已有一些公開發(fā)表的關(guān)于螺旋通道內(nèi)單相流動和傳熱的綜述性文章[1,24-25]，但是對螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱進(jìn)行總結(jié)的文章鮮見報道。本文主要對近年來螺旋通道的流動沸騰傳熱研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)歸納，并提出了今后的研究方向，希望對今后的研究者有一定的幫助。

圖1 SCI數(shù)據(jù)庫中關(guān)于螺旋通道沸騰文獻(xiàn)的檢索結(jié)果

1 常規(guī)尺度螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱特性

1.1 以水為工質(zhì)的流動沸騰傳熱

根據(jù)以往的研究表明，學(xué)者們普遍比較關(guān)注系統(tǒng)參數(shù)對螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱特性的影響以及螺旋通道內(nèi)的臨界工況。這是因?yàn)橛绊憙上嗔鲃有螒B(tài)的參數(shù)過多，單一參數(shù)的變化都有可能使沸騰傳熱特性和沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生改變。

1.1.1 傳熱性能的影響因素

不同于直通道，螺旋通道內(nèi)的工質(zhì)會受離心力影響產(chǎn)生二次流，這導(dǎo)致管內(nèi)局部傳熱系數(shù)及壁溫分布并不均勻。白博峰等[26]對臥式螺旋通道內(nèi)水的流動沸騰傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于下降區(qū)段，上升區(qū)段中近壁區(qū)的汽泡具有向外擴(kuò)散的傾向，增加了液膜擾動，強(qiáng)化了熱量的傳遞。因此上升區(qū)段的傳熱系數(shù)大于下降區(qū)段的傳熱系數(shù)。作者還對螺旋通道各側(cè)壁溫進(jìn)行了測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管內(nèi)側(cè)壁溫最高，外側(cè)壁溫最低。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，螺旋通道獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得其內(nèi)部沸騰傳熱情況與直通道的有差異，這意味著影響螺旋通道傳熱系數(shù)的因素也可能與直通道的不同。

為探究影響螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)的因素，首先要了解沸騰傳熱的機(jī)理，進(jìn)而探究各系統(tǒng)參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響。通道內(nèi)沸騰傳熱的機(jī)理主要分核態(tài)沸騰及對流沸騰兩種。核態(tài)沸騰時，熱量的傳遞主要通過氣泡在通道內(nèi)的核化、生長、分離傳遞；對流沸騰時，熱量主要通過液體在通道壁面的蒸發(fā)傳遞。Theofanous 等[27]對直通道流動沸騰中傳熱系數(shù)隨操作參數(shù)變化的研究結(jié)果表明，核態(tài)沸騰狀態(tài)下提高熱通量可使通道內(nèi)成核點(diǎn)增加，因此核態(tài)沸騰的傳熱系數(shù)受熱通量影響較大，此時質(zhì)量流率及干度對傳熱系數(shù)影響不大；而對流沸騰時換熱系數(shù)受熱通量影響較小，受質(zhì)量流率及干度影響較大。許多學(xué)者也基于螺旋通道對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并得出了與Theofanous 相同的結(jié)論。Zhao 等[7]對小型臥式螺旋通道內(nèi)水的沸騰傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)制對流傳熱和核態(tài)沸騰機(jī)制均對流動沸騰傳熱有重要的影響。在給定熱通量下，沸騰傳熱系數(shù)先隨干度的增加而增加，當(dāng)干度越過0.4～0.6區(qū)域時，沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增加而減小。Hwang等[19]研究了低質(zhì)量流率下螺旋通道內(nèi)水的沸騰換熱特性。其研究結(jié)果表明，沸騰傳熱系數(shù)受干度的影響較小，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)核態(tài)沸騰傳熱機(jī)制顯著強(qiáng)于對流傳熱機(jī)制。表1中許多文獻(xiàn)換熱系數(shù)隨操作參數(shù)的變化規(guī)律并不相同，這往往是由于試驗(yàn)段尺寸及工況不同造成管內(nèi)沸騰機(jī)理不同導(dǎo)致的。

眾所周知，操作壓力的改變會改變水的汽化潛熱等物性，這會影響螺旋通道的沸騰傳熱，上述文章均未考慮操作壓力對傳熱系數(shù)的影響。因此，Chung 等[9]研究了不同壓力條件下立式螺旋通道內(nèi)水的沸騰換熱特性。其研究發(fā)現(xiàn)，壓力大小對流動沸騰傳熱有顯著影響，沸騰傳熱系數(shù)隨壓力的增加而增加；但在低加熱功率和低質(zhì)量流率下，壓力對傳熱系數(shù)的影響并不顯著，分析這可能是由于離心力相對較小所導(dǎo)致的。除Chung等外，Hwang等[19]、Xiao 等[22]和Santini 等[28]也研究了壓力對螺旋通道內(nèi)沸騰換熱特性影響。Hwang等同樣發(fā)現(xiàn)沸騰傳熱系數(shù)隨著壓力的增大而增大。Hwang等認(rèn)為，這是由于其實(shí)驗(yàn)屬于核態(tài)沸騰占主導(dǎo)地位，壓力的增大將引起介質(zhì)表面張力和介質(zhì)過熱度等物性相應(yīng)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致最小核化半徑的減小和核態(tài)沸騰傳熱效率的增加。Xiao等也在其實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，過冷沸騰段和飽和核態(tài)沸騰段的傳熱系數(shù)均隨壓力的增大而增大。但與Hwang等不同的是，Xiao等發(fā)現(xiàn)當(dāng)干度大于0.2 時，飽和段的沸騰傳熱系數(shù)隨壓力的增大而減小，作者認(rèn)為這是由于干度大于0.2 時，實(shí)驗(yàn)中對流蒸發(fā)傳熱占主導(dǎo)地位，增大壓力則意味著增大氣相介質(zhì)的密度，從而使介質(zhì)的流速降低，進(jìn)而影響對流蒸發(fā)強(qiáng)度，最終導(dǎo)致傳熱系數(shù)的降低。Santini 等的實(shí)驗(yàn)則發(fā)現(xiàn)，在高壓條件下，傳熱系數(shù)幾乎不再受干度的影響，這表明此時對流傳熱效應(yīng)對傳熱的影響幾乎可以忽略不計。他認(rèn)為這是由于高壓使得氣體密度較低壓時更高，進(jìn)而對介質(zhì)的流動產(chǎn)生了阻礙作用，最終使得非沸騰區(qū)的對流傳熱效應(yīng)遭到削弱。

除了操作參數(shù)以外，學(xué)者們也十分關(guān)注結(jié)構(gòu)參數(shù)對沸騰傳熱系數(shù)的影響。眾所周知，流體在螺旋通道中流動會受到離心力的影響。根據(jù)離心力公式Fc=mv2/R可知，螺旋通道中流體所受離心力Fc會隨著質(zhì)量m、速度v 的增加而增加；會隨著螺旋直徑R的減小而增加，而離心力大小的改變又會影響螺旋通道內(nèi)二次流的強(qiáng)弱。Jayakumar 等[29]研究了螺旋通道中氣-水兩相流的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)隨著通道內(nèi)徑的增加與螺旋直徑的增加，傳熱系數(shù)分別增大與減小。這說明結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會影響兩相流傳熱特性，因此有必要討論結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對螺旋通道內(nèi)沸騰傳熱的影響。劉尚華等[30]研究了螺旋直徑對螺旋通道內(nèi)沸騰換熱的影響。研究結(jié)果表明二次流強(qiáng)度隨螺旋直徑的減小而增加，螺旋直徑最小的通道進(jìn)出口壁面溫差最大。Hardik等[31]研究了螺旋通道內(nèi)直徑比D/d（D 表示螺旋直徑，d 表示通道內(nèi)徑）等參數(shù)對沸騰傳熱系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)中的通道內(nèi)，外側(cè)機(jī)理為對流沸騰，內(nèi)側(cè)機(jī)理為核態(tài)沸騰。直徑比的增加會使外側(cè)沸騰傳熱系數(shù)減小，內(nèi)側(cè)傳熱系數(shù)增加。這說明減小螺旋直徑比可增強(qiáng)對流沸騰機(jī)理下通道的沸騰傳熱系數(shù)。周云龍等[12]對高壓下螺旋通道內(nèi)對流沸騰機(jī)理下沸騰傳熱特性進(jìn)行了探究，結(jié)果表明相同條件下螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)均高于直通道，認(rèn)為結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會影響沸騰傳熱系數(shù)，直徑比的增加會使沸騰傳熱系數(shù)減小。但也有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變并未影響螺旋通道傳熱系數(shù)。Hwang等[19]通過改變螺旋直徑探究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，螺旋直徑的減小對沸騰傳熱系數(shù)影響不大，認(rèn)為這是由于實(shí)驗(yàn)中核態(tài)沸騰機(jī)理占主導(dǎo)地位，二次流增強(qiáng)引起的對流沸騰增強(qiáng)不足以影響總體沸騰傳熱系數(shù)。Kong等[20]研究了螺距對螺旋通道傳熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保持其他條件不變將螺旋通道螺距從120mm減小到40mm，螺旋通道的沸騰傳熱系數(shù)平均只減小了5.9%。因此，Kong等認(rèn)為螺距對螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)的影響可以忽略。Owhadi等[5]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明結(jié)構(gòu)參數(shù)并未影響沸騰傳熱系數(shù)。這說明不同工況下螺旋通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對沸騰傳熱系數(shù)的影響不同。

綜合上述研究結(jié)果表明，質(zhì)量流率、壓力、干度、螺旋直徑等系統(tǒng)參數(shù)對流動沸騰傳熱規(guī)律有著重要影響，但影響的程度取決于實(shí)驗(yàn)條件下的工況。

1.1.2 傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式

許多學(xué)者基于自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式并與其他學(xué)者提出的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行對比，旨在提出預(yù)測精準(zhǔn)且適用范圍廣的關(guān)聯(lián)式，以便給實(shí)際應(yīng)用提供參考。表1中匯總了部分螺旋通道的傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式。Zhao等[7]將其傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值分別與Chen等[32]、Kozeki等[11]和Schrock-Grossman等[6]提出的經(jīng)典直通道及螺旋通道傳熱關(guān)聯(lián)式預(yù)測值進(jìn)行了對比研究，其中Schrock-Grossman關(guān)聯(lián)式的預(yù)測值精確度最高，Zhao等認(rèn)為這可能是該關(guān)聯(lián)式引入了沸騰數(shù)（Bo）的緣故。根據(jù)該關(guān)聯(lián)式，Zhao 等提出了修正后的Schrock-Grossman傳熱關(guān)聯(lián)式。隨后，Hwang 等[19]通 過 對Chen 等[32]、Zhao 等[7]和Steiner-Taborek[33]沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式的對比研究，發(fā)現(xiàn)Steiner-Taborek 關(guān)聯(lián)式對其實(shí)驗(yàn)得出的傳熱系數(shù)預(yù)測最為準(zhǔn)確，大部分預(yù)測值誤差在20%以內(nèi)。作者認(rèn)為這是由于Steiner-Taborek關(guān)聯(lián)式較為合理地預(yù)測了流動沸騰中核態(tài)沸騰傳熱向?qū)α鱾鳠徇^渡的相對變化趨勢，從而使得該關(guān)聯(lián)式對本次實(shí)驗(yàn)的沸騰傳熱系數(shù)預(yù)測更為準(zhǔn)確。

相對于Zhao 等研究的小型臥式螺旋通道，Santini等[28]則研究了核反應(yīng)器內(nèi)的大型螺旋通道內(nèi)水蒸氣-水沸騰換熱特性。同文獻(xiàn)[5-7]一樣，Santini同樣認(rèn)為部分經(jīng)典的直通道沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式亦能運(yùn)用于大型螺旋通道。作者將傳熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)值同部分經(jīng)典的傳熱關(guān)聯(lián)式預(yù)測值進(jìn)行了對比研究發(fā)現(xiàn)，其誤差均在15%～20%內(nèi)。基于此，作者認(rèn)為在低質(zhì)量流率和低熱通量下，螺旋通道曲率對螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)影響可以忽略不計。

Shah 等[34]利用已發(fā)表的螺旋通道沸騰試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了一個數(shù)據(jù)庫，將每組數(shù)據(jù)分別代入Chen 等[35]、Zhao 等[7]、Wongwises 等[13]、Gungor 等[36]提出的直通道及螺旋通道關(guān)聯(lián)式并對平均相對誤差進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，基于螺旋通道提出的關(guān)聯(lián)式適用范圍較小。其中Wongwises 等[13]的關(guān)聯(lián)式平均相對誤差超過1000%，Chen等[35]提出的關(guān)聯(lián)式平均相對誤差為56.8%，Zhao 等[7]提出的關(guān)聯(lián)式平均相對誤差最小，也有31.5%；而直通道沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式對實(shí)驗(yàn)值的預(yù)測相對精準(zhǔn)。Shah 等認(rèn)為這是由于上述螺旋通道關(guān)聯(lián)式都基于作者自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，數(shù)據(jù)量偏小，因此適用范圍較小。

上述學(xué)者的研究結(jié)果表明，與現(xiàn)有螺旋通道傳熱關(guān)聯(lián)式相比，部分經(jīng)典直通道傳熱關(guān)聯(lián)式可更精準(zhǔn)的預(yù)測螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)。但也有一些學(xué)者[33,36]指出直通道關(guān)聯(lián)式預(yù)測螺旋通道傳熱系數(shù)的不足：由于螺旋通道沸騰傳熱性能優(yōu)于直通道，直通道沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式在預(yù)測螺旋通道傳熱系數(shù)時數(shù)值會較實(shí)驗(yàn)值偏低。因此，適用廣泛、預(yù)測精準(zhǔn)的螺旋通道沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式還有待研究。

1.1.3 臨界工況與沸騰臨界現(xiàn)象

流動沸騰中的臨界工況表現(xiàn)在沸騰臨界現(xiàn)象（脫離核態(tài)沸騰、燒毀、干涸、沸騰危機(jī)等）的出現(xiàn)。沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生時常常會伴隨著傳熱系數(shù)的急劇下降，這不僅會惡化傳熱，還會影響換熱器的安全性能。提高臨界熱通量（critical heat flux）或臨界干度（dryout quality）等臨界工況可避免或推遲沸騰臨界現(xiàn)象的發(fā)生，換熱時就可以提高允許的最高熱通量，或允許在相同換熱性能的前提下選用結(jié)構(gòu)更緊湊的換熱器。因此許多學(xué)者對臨界工況進(jìn)行了研究，但研究大多基于直通道。Marathe 等[37]基于直通道提出了一種臨界干度預(yù)測模型，在文中臨界干度被定義為兩相傳熱系數(shù)達(dá)到峰值時對應(yīng)的干度，預(yù)測的數(shù)值基于兩相傳熱系數(shù)的計算。但Niu等[38]認(rèn)為該模型忽略了重力對環(huán)形液膜的影響，僅適用于預(yù)測質(zhì)量流率較高下的直通道，并不適用于螺旋通道。作者認(rèn)為螺旋通道發(fā)生沸騰臨界現(xiàn)象是由于環(huán)形流態(tài)下液滴夾帶與液膜蒸發(fā)造成的液膜質(zhì)量流率減小引起的，沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生在液膜質(zhì)量流率為0 的點(diǎn)?；诖朔N模型，作者討論了壓力、質(zhì)量流率、熱通量和螺旋線圈直徑對臨界干度的影響。結(jié)果表明，壓力、質(zhì)量流率、熱通量和螺旋直徑的增大都會導(dǎo)致臨界干度的下降。然而學(xué)者們在研究質(zhì)量流率及系統(tǒng)壓力對臨界工況的影響時得出的結(jié)論并不統(tǒng)一，表2匯總了部分文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了探究臨界干度，Hwang等[19]在Berthoud等[10]的基礎(chǔ)上提出了新臨界工況分布，如圖2所示。Hwang等根據(jù)發(fā)生干涸時的主導(dǎo)因素將分布圖分為重力主導(dǎo)區(qū)、夾帶主導(dǎo)區(qū)及再沉積主導(dǎo)區(qū)，圖的橫坐標(biāo)為作用于氣相和夾帶液滴上的離心力，縱坐標(biāo)為液體雷諾數(shù)。Hwang等通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)臨界干度隨質(zhì)量流率的增加而增加，他認(rèn)為這是由于重力在實(shí)驗(yàn)中起了主導(dǎo)作用：質(zhì)量流率的減小引起二次流減弱，這會使液體的再沉積減弱從而影響臨界干度。與Hwang 等不同的是Niu 等[38]只研究了夾帶與沉積主導(dǎo)區(qū)，而未對重力主導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行探究。Niu等認(rèn)為臨界干度隨系統(tǒng)參數(shù)變化會產(chǎn)生改變是由于液體夾帶率與再沉積率之間的競爭，隨著質(zhì)量流率的增加夾帶率的增速大于再沉積率，因此臨界干度會降低。兩人對質(zhì)量流率探究得出的相反結(jié)果說明在不同的因素主導(dǎo)區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)參數(shù)對臨界工況的影響并不相同。Hardik等[41]對低壓條件下螺旋通道內(nèi)水的臨界工況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明臨界熱通量隨質(zhì)量流率增加。但Hardik 等的數(shù)據(jù)在臨界工況分布圖中分布在y 值為60～512 范圍，遠(yuǎn)超于分布圖適用范圍（0＜y＜32），因此無法與其他兩位學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析。

表2 不同系統(tǒng)參數(shù)的增加對臨界干度的影響

圖2 Hwang等［19］提出的臨界工況分布

以上文獻(xiàn)中關(guān)于質(zhì)量流率對臨界工況的影響并沒有定論，除此之外也很少有文獻(xiàn)涉及曲率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對臨界工況的影響，這些問題都有待學(xué)者們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

還有許多學(xué)者對發(fā)生沸騰臨界現(xiàn)象時出現(xiàn)的干涸點(diǎn)分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，張文斌等[42]研究了低質(zhì)量流率下立式螺旋通道傳熱惡化的問題，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)沸騰臨界現(xiàn)象時，螺旋通道外壁壁溫會呈現(xiàn)出A形和M形分布。對于A形分布，作者認(rèn)為：在二次流的作用下，螺旋通道截面會形成如圖3所示的兩個對稱的漩渦，此時90°和270°處的液膜最薄，這兩處壁溫理應(yīng)最高，而由于受重力的影響，因此實(shí)驗(yàn)的螺旋通道截面壁溫最高出現(xiàn)在90°和225°處。而M 形分布的最高壁溫則出現(xiàn)在180°處，這是因?yàn)樵谳^高流速下，180°處的液膜最容易被撕裂，在離心力影響下，撕裂的液滴被甩向截面外側(cè)0°處。

圖3 張文斌等［42］提出的螺旋通道流場

毛宇飛等[14]對螺旋通道內(nèi)高壓水蒸氣-水兩相流動沸騰的干涸點(diǎn)進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螺旋通道截面最高壁溫出現(xiàn)在180°處，這與張文斌等[42]發(fā)現(xiàn)的M形壁溫分布類似。除此之外，作者還發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中飽和水的密度因壓力的增大而減小，進(jìn)而引起液膜的表面張力和穩(wěn)定性減小，從而使得液膜比低壓時更容易被撕破，這造成臨界干度隨壓力的增大而減小，這與Hwang 等[19]、Niu 等[38]得出的結(jié)論保持一致。

1.2 以制冷劑為工質(zhì)的流動沸騰傳熱

制冷劑由于其優(yōu)良的熱力學(xué)性能及熱物理特性在低溫制冷工程等涉及相變傳熱的領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用。長時間以來，R11、R12 等氟利昂作為制冷工質(zhì)在蒸發(fā)器、中冷器等換熱設(shè)備中被廣泛使用。然而，隨著臭氧層被破壞以及全球溫室效應(yīng)的加劇，這些原先在制冷空調(diào)系統(tǒng)中廣為使用制冷劑，逐 漸 被R22、R123 等HCFC 類 物 質(zhì) 與R134a、R407c 這類環(huán)境友好型的制冷工質(zhì)所取代。Kang等[43]是最早對螺旋通道內(nèi)代替制冷劑的冷凝傳熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的學(xué)者，隨后陸續(xù)有其他學(xué)者展開了對螺旋通道內(nèi)不同代替制冷劑的沸騰傳熱研究。

1.2.1 傳熱性能的影響因素

由于制冷劑與水的物性并不相同，在以制冷劑為工質(zhì)的流動沸騰文獻(xiàn)中，學(xué)者們也十分關(guān)注沸騰傳熱系數(shù)的變化。Wongwise等[13]研究了干度對立式螺旋換熱管內(nèi)R134a的流動沸騰換熱的影響，其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：沸騰傳熱系數(shù)隨干度的增加而增加、質(zhì)量流率對傳熱系數(shù)有著顯著的影響，特別是在高干度區(qū)。隨后，邵莉等[17,44]對臥式螺旋通道內(nèi)R134a的流動沸騰傳熱特性進(jìn)行了可視化研究。基于所觀測到的流型，作者發(fā)現(xiàn)，低干度時的流型為間歇流或分層流，屬于核態(tài)沸騰占主導(dǎo)；而高干度時，由于流型為環(huán)狀流型，此時屬于對流傳熱機(jī)制占主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在操作參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響上與Wongwise 等[13]一致。在Hardik 等[45]以R123 為工質(zhì)的研究中，也發(fā)現(xiàn)干度對對流沸騰機(jī)理下沸騰傳熱系數(shù)影響較大；對核態(tài)沸騰機(jī)理下沸騰傳熱系數(shù)影響較小。以上結(jié)果表明，系統(tǒng)參數(shù)在兩種機(jī)理下對沸騰傳熱特性的影響并未隨工質(zhì)發(fā)生改變。此外，Hardik等還對水與R123a的傳熱性能進(jìn)行了比較，結(jié)果表明與水相比R123a沸騰傳熱系數(shù)周向變化較小。宋尚銳[46]對比了相同條件下R407c 與R134a 在螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱時壁溫分布特性，結(jié)果表明R407c工質(zhì)外壁溫隨管長未出現(xiàn)明顯上升，R134a外壁溫隨管長明顯減小，認(rèn)為這是由于R407c為非共沸混合制冷劑，其組分之間存在著一定的溫度滑移特性。冀翠蓮[47]也得出了與宋尚銳相同的結(jié)論，除此之外作者還發(fā)現(xiàn)螺旋管內(nèi)R417a傳熱系數(shù)高于R403c。

許多學(xué)者的研究結(jié)果表明[48-49]，可通過在直通道中加入微肋或凹槽等方法增加核態(tài)沸騰成核位點(diǎn)從而提升直通道的沸騰傳熱系數(shù)，但鮮有探究更改螺旋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而強(qiáng)化沸騰傳熱的文獻(xiàn)。崔文智等[8,50-51]率先對三維微肋螺旋通道內(nèi)R134a的流動沸騰傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三維微肋螺旋通道的傳熱效果顯著強(qiáng)于光滑螺旋通道，這是因?yàn)槿S微肋的表面結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了邊界層的擾動，強(qiáng)化了對流傳熱，而且還增加了傳熱面積，使汽化核心的數(shù)量大大增加，強(qiáng)化了核態(tài)沸騰。作者還發(fā)現(xiàn)，干度大于0.3 時，由于汽相已占據(jù)螺旋通道截面積的80%以上，此時因離心力導(dǎo)致的二次流強(qiáng)化傳熱作用較弱。因此，三維內(nèi)肋螺旋通道在低干度時的強(qiáng)化傳熱效果更好。此外，在Klimenko[52-53]的理論基礎(chǔ)之上，作者將適用于螺旋通道的迪恩數(shù)（Dn）引入沸騰傳熱關(guān)聯(lián)式，提出了一種適用于三維微肋螺旋換熱管內(nèi)R134a的流動沸騰的傳熱關(guān)聯(lián)式。在崔文智等[8,50-51]的基礎(chǔ)上，李隆鍵等[54]對三維微肋的螺旋通道內(nèi)R134a的流動沸騰換熱進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，其研究結(jié)果表明，肋高較大的微肋螺旋通道強(qiáng)化表面性能更強(qiáng)，相對于光滑螺旋通道，其沸騰強(qiáng)化傳熱比可達(dá)1.4～2.2。

1.2.2 臨界工況與沸騰臨界現(xiàn)象

由于水的比熱容和汽化潛熱比制冷劑大得多，在常規(guī)尺度通道內(nèi)研究以水為工質(zhì)的臨界工況時需要很大的加熱功率，這對實(shí)驗(yàn)設(shè)備及場地都提出了很高的要求。已有文獻(xiàn)證實(shí)[55]通過使用基于相似理論提出的CHF流體模化技術(shù)可以用R134a等氟利昂工質(zhì)代替水進(jìn)行臨界工況研究，從而減少成本、降低實(shí)驗(yàn)難度。因此許多學(xué)者以制冷劑為工質(zhì)研究了螺旋通道的臨界工況。

沸騰臨界現(xiàn)象發(fā)生時伴隨的壁溫飛升現(xiàn)象會嚴(yán)重影響設(shè)備安全，為此一些學(xué)者對此進(jìn)行了探究。Chen 等[15,56]對臥式螺旋換熱管內(nèi)R134a 流動沸騰的臨界工況進(jìn)行了研究。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著入口干度和質(zhì)量流率的增大，CHF 分別呈現(xiàn)出減小和增大的趨勢。其次，在沸騰臨界現(xiàn)象出現(xiàn)后，若此時出口干度較高，螺旋通道的壁溫有時會緩慢上升，甚至是一定程度的減小。這意味著穩(wěn)定干涸區(qū)域內(nèi)，螺旋通道壁溫飛升的現(xiàn)象消失，加熱設(shè)備不會立即被燒壞。而當(dāng)出口干度較低時，由于殘余液相在螺旋通道內(nèi)的間歇性再濕潤，會導(dǎo)致壁溫則隨壓力波呈穩(wěn)定的上下波動狀態(tài)。冀翠蓮等[57]對臥式螺旋換熱管內(nèi)R134a流動沸騰傳熱惡化特性及其判斷準(zhǔn)則進(jìn)行了研究。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，入口干度小于0.65時，螺旋通道截面外側(cè)壁溫低于內(nèi)側(cè)；入口干度在0.65～0.75時，在氣相夾帶和離心力共同作用下，外側(cè)液膜首先蒸干變薄，從而引起壁溫的飛升及干涸的發(fā)生；當(dāng)入口干度在0.75～0.85時，內(nèi)側(cè)最先發(fā)生干涸，外側(cè)最后發(fā)生干涸。以上實(shí)驗(yàn)說明高出口干度下螺旋通道的沸騰臨界現(xiàn)象與低出口干度下的并不相同。

為探究壓力對沸騰臨界現(xiàn)象的影響，Tan 等[21]研究了近臨界壓力區(qū)臥式螺旋通道內(nèi)R134a的沸騰換熱特性。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在臨界壓力區(qū)附近，干涸現(xiàn)象（dry-out，DO）的臨界工況通常發(fā)生在低壓區(qū)，此時，螺旋通道截面內(nèi)側(cè)壁溫飛升，其余截面壁溫緩慢上升；而脫離核態(tài)沸騰（departure from nucleate boiling，DNB）的臨界工況則通常發(fā)生在高壓區(qū)，此時，螺旋通道截面各側(cè)壁溫同時飛升。此外作者還發(fā)現(xiàn)，在接近臨界壓力區(qū)的附近，存在一個恒定壓力值，該壓力值會導(dǎo)致螺旋通道壁溫飛升的現(xiàn)象消失，且這一現(xiàn)象幾乎不受熱通量和過冷度的影響，但作者并未對此現(xiàn)象做進(jìn)一步的解釋說明。

還有一些學(xué)者研究了螺旋通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對臨界工況的影響。Berthoud 等[10]探究了螺旋直徑對臨界工況的影響，結(jié)果表明螺旋直徑主要通過影響再沉積過程影響臨界工況：夾帶液滴所受的離心力會隨螺旋直徑的減小而增大，這會引起再沉積速率增大從而導(dǎo)致臨界干度增大。由于螺旋通道影響臨界工況的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，Chen等[58]提出了當(dāng)量幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)Dn，其關(guān)聯(lián)式為式(1)。

式中，Ln為有效加熱長度；Dc為螺旋直徑；di為螺旋內(nèi)徑；Pt為螺距；n 的值由實(shí)驗(yàn)確定。冀翠蓮等[59]研究了Dn對螺旋通道臨界工況的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明CHF 隨Dn的增大而減小，但當(dāng)Dn增大到某一數(shù)值之后其對CHF的影響變得不明顯。

此前學(xué)者們提出的經(jīng)典流體?；Ｐ投嗷谥蓖ǖ阑虬魻畹群唵瓮ǖ繹58,60]，譚魯志等[61]研究了臥式螺旋通道臨界熱通量的流體?；?，探究了經(jīng)典模化模型是否適用于螺旋通道。其實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對于臥式螺旋通道CHF 的流體?；?，Ahmad 模型與Katto 模型均會產(chǎn)生較大的偏差。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ahmad 模型和Katto 模型的預(yù)測值都相對偏高，且質(zhì)量流率與壓力的改變也會對預(yù)測偏差產(chǎn)生影響?？傮w而言，Katto模型的預(yù)測偏差要小于Ahmad模型。

綜合上述研究結(jié)果表明，對螺旋通道內(nèi)制冷劑流動沸騰傳熱臨界狀態(tài)的研究至關(guān)重要。但研究者對螺旋通道內(nèi)除R134a以外的代替制冷劑工質(zhì)的強(qiáng)化流動沸騰以及臨界工況的流體?；奶剿餮芯窟€較少，這方面的研究需進(jìn)一步加強(qiáng)。

1.3 其他工質(zhì)的流動沸騰傳熱

目前，學(xué)者們進(jìn)行螺旋通道中沸騰傳熱研究時工質(zhì)大多選擇制冷劑與水，而對其他工質(zhì)的沸騰傳熱研究較少。王淑香等[18]對CO2在立式螺旋管內(nèi)流動沸騰換熱的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究，其研究發(fā)現(xiàn)，隨著熱通量的增加，局部平均傳熱系數(shù)隨干度的變化表現(xiàn)出3種不同的趨勢。作者認(rèn)為，由熱通量增加引起的沿程核態(tài)沸騰強(qiáng)度的變化以及局部干涸現(xiàn)象的發(fā)生是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因。在高干度區(qū)，由于壁面干涸和再潤濕作用，CO2在螺旋管內(nèi)的換熱系數(shù)也隨之波動，而質(zhì)量流速的增大所引起的離心力效應(yīng)使得周向方向的液體重新分布，從而使換熱系數(shù)的波動幅度得到了減小。萬星晨等[62]研究了螺旋通道內(nèi)丙烷的沸騰傳熱特性，作者將實(shí)驗(yàn)得到的傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)與直管沸騰換熱關(guān)聯(lián)式進(jìn)行了比較，結(jié)果表明螺旋管內(nèi)流動沸騰換熱換熱性能優(yōu)于直管。

2 微細(xì)尺度螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱特性

在微機(jī)電系統(tǒng)中，微電子器件工作時的熱通量常?？蛇_(dá)100W/cm2以上，傳統(tǒng)微通道散熱技術(shù)已難以滿足如此高的換熱需求[63]，因此必須對此類微通道冷卻技術(shù)加以改進(jìn)。隨著近年來微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，使得一些原本難以制造且具有復(fù)雜外觀的微通道模型變成了可能。Kandlikar[64]根據(jù)非圓形通道水力直徑Dh定義Dh＜200μm的通道為微通道，200μm＜Dh＜3mm的通道為細(xì)通道。螺旋微細(xì)通道由于其所需空間小、單位面積換熱量高等因素逐漸受到了人們的關(guān)注，因此探究微細(xì)螺旋通道中的沸騰換熱特性顯得尤為重要，但相關(guān)研究卻十分罕見。

由于作者水平有限，并未在數(shù)據(jù)庫中檢索到微細(xì)螺旋通道內(nèi)以水為工質(zhì)的沸騰傳熱研究文獻(xiàn)，檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)工質(zhì)均為制冷劑。Elsayed 等[16]研究了微型直徑立式螺旋換熱管內(nèi)R134a流動沸騰換熱特性。其實(shí)驗(yàn)為分別采用了內(nèi)徑為2.8mm、2mm、1.55mm、1.1mm的微細(xì)螺旋管。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干度小于0.4 時，質(zhì)量流率對傳熱系數(shù)的影響可以忽略不計；而干度大于0.6 時，傳熱系數(shù)隨著質(zhì)量流率的增加而增加。此外，通過對比不同內(nèi)徑的螺旋通道沸騰實(shí)驗(yàn)結(jié)果，作者發(fā)現(xiàn)，減小螺旋通道內(nèi)徑能使換熱效率最多提高約63%，但同時干涸現(xiàn)象也提前發(fā)生了。此結(jié)論表明微細(xì)螺旋通道發(fā)生干涸現(xiàn)象時臨界工況低于常規(guī)尺度螺旋通道。除此之外，由于微細(xì)螺旋通道存在尺度效應(yīng)，表面張力取代了重力的支配作用，因此臨界工況受系統(tǒng)參數(shù)變化產(chǎn)生的影響可能會與常規(guī)尺度通道不同，常規(guī)通道臨界工況關(guān)聯(lián)式能否適用微細(xì)通道也不得而知。這些問題都有待學(xué)者進(jìn)行探究，但目前研究微細(xì)螺旋通道中臨界工況的文獻(xiàn)十分罕見。

王林等[65]對內(nèi)徑為2.5mm微型螺旋通道蒸發(fā)器R134a的流動沸騰換熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)在低干度區(qū)，螺旋通道內(nèi)核態(tài)沸騰伴隨有單相對流換熱，管內(nèi)換熱系數(shù)隨著干度的增加而較快地增加，從而直接影響到總傳熱系數(shù)的增加。隨著干度的增加，核態(tài)沸騰起主導(dǎo)地位，干度對管內(nèi)換熱系數(shù)的影響不明顯，換熱量和對數(shù)平均溫差的綜合影響使得總傳熱系數(shù)隨著干度的增加而降低。Oh等[66]以R134a 等物質(zhì)作為工質(zhì)對內(nèi)徑為0.5mm、1.5mm、3mm的螺旋通道進(jìn)行了沸騰傳熱研究，探究了系統(tǒng)參數(shù)對傳熱系數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Elsayed等[16]、Chen等[35]和Wongwise等[13]得出的結(jié)果一致。上述研究說明質(zhì)量流率、干度、熱通量在微細(xì)螺旋通道核態(tài)沸騰及對流沸騰機(jī)理下對沸騰傳熱系數(shù)的影響與相同機(jī)理下對常規(guī)尺度螺旋通道的影響相同。除此之外，與Elsayed 等[16]相同，Oh 也發(fā)現(xiàn)同工況下內(nèi)徑小的螺旋通道傳熱系數(shù)要高于內(nèi)徑較大的螺旋通道，這說明微細(xì)螺旋通道的沸騰傳熱效果要優(yōu)于常規(guī)尺度螺旋通道。

3 結(jié)語與展望

結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)高于直通道，在許多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。根據(jù)學(xué)者們之前的探究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：研究結(jié)果表明操作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等因素均會影響傳熱系數(shù)及臨界工況，但在不同工況下影響不同。許多學(xué)者基于自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了螺旋通道沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式，但研究結(jié)果表明大部分關(guān)聯(lián)式適用范圍較小。為了探究不同機(jī)理下系統(tǒng)參數(shù)對臨界工況的影響Hwang[19]提出了臨界工況分布圖，但由于該圖適用范圍較小導(dǎo)致不能比對所有學(xué)者的研究結(jié)果。

由于流動沸騰傳熱是一種伴有相變和兩相流動的復(fù)雜傳熱過程，而螺旋通道內(nèi)的流動沸騰傳熱還要受離心力和二次流的影響，其傳熱過程比直通道要復(fù)雜得多。因此螺旋通道內(nèi)的流動沸騰傳熱研究仍存在一些亟待解決的問題。今后學(xué)者們?nèi)暨M(jìn)行此類研究，可以從以下幾個方面開展。

（1）對螺旋通道內(nèi)的強(qiáng)化沸騰傳熱的研究，如納米流體在螺旋通道內(nèi)流動沸騰下的傳熱機(jī)理及其穩(wěn)定性研究。納米流體是近年來學(xué)者們重點(diǎn)研究的傳熱工質(zhì)之一，其優(yōu)越的傳熱性能和尺度效應(yīng)是其受到學(xué)者們追捧的主要原因。納米流體在傳熱過程中是否穩(wěn)定，是研究納米流體傳熱的基礎(chǔ)；其次，關(guān)于納米流體的沸騰傳熱機(jī)理及其能否強(qiáng)化傳熱尚且存在一些爭議[67]。

（2）對螺旋通道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。大量對直通道沸騰傳熱的研究已經(jīng)證實(shí)通過改變通道結(jié)構(gòu)可提升傳熱系數(shù)或提高臨界干度，這可以優(yōu)化通道傳熱性能。但在螺旋通道的沸騰傳熱研究中試驗(yàn)?zāi)Ｐ投嗷诠饣ǖ?，對螺旋通道?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變的文獻(xiàn)較少。

（3）對微細(xì)螺旋通道內(nèi)的流動沸騰實(shí)驗(yàn)研究。由于微細(xì)螺旋通道的微尺度效應(yīng)會使氣泡的運(yùn)動行為與宏觀情形下有所不同，而在核態(tài)沸騰主導(dǎo)的傳熱區(qū)域，微液層氣泡的行為與傳熱又有著密切的關(guān)聯(lián)。因此對這方面的研究也需要進(jìn)一步展開。

（4）隨著計算機(jī)硬件、流動沸騰傳熱模型和數(shù)值模擬技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，為節(jié)約流動沸騰實(shí)驗(yàn)的時間成本及經(jīng)濟(jì)成本和進(jìn)一步的驗(yàn)證和完善沸騰傳熱模型理論，應(yīng)該有針對性的對螺旋通道內(nèi)流動沸騰傳熱進(jìn)行CFD技術(shù)的探索研究。