微细通道气液两相流动换热研究进展

罗新奎，汪洋，王小军，杨祺，张文瑞

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

微细通道气液两相流动换热研究进展

罗新奎，汪洋，王小军，杨祺，张文瑞

（兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

随着微电子系统、航空、航天及军工领域仪器设备的高度集成化，高热流密度下的高效散热成为了亟待解决的问题。微细通道沸腾换热装置以体积小、重量轻、散热量大等特点，引起了越来越广泛的关注。然而，对于微细通道内传热传质的机理待深入研究。介绍了微细通道内气液两相流流动与换热的最新研究进展，从两相流流型、制冷剂及通道截面形状的影响等方面进行梳理与归纳，提出未来发展重点。

微细通道；气液两相流；沸腾换热

0　引言

自20世纪末以来，随着微纳机电系统（NMES）的快速发展，开展了微尺度流动与传热的深入研究，形成了微米-纳米传热学研究新方向[1]。近年来，随着现代高新技术的发展，生产、制造、工艺水平的不断提高以及各行业工程应用的实际需求（尤其是微电子机械系统的冷却问题），推动了微尺度科学的研究，特别是细微空间尺度流动及传热性能的研究，引起了有关技术人员的高度重视。

在航空、航天与军工领域，大多数仪器设备都是高度集成，其在有限空间内工作时的热流密度非常高[2]。如某型号飞航导弹在飞行过程中弹头红外窗口的热流密度能达到60 W/cm2，飞行器再入大气层时的热流密度大约为100 W/cm2，飞船再入大气时由气动热产生的热流密度介于102～103W/cm2之间，火箭喷管喉部的热流密度可高达500 W/cm2。在如此高的热流密度下，要在有限的空间内对各种仪器进行冷却，并实现对温度的精确控制，传统的制冷与温控方法显得力不从心[3]。理论研究的深入与现实的需求使得微细通道沸腾换热技术应用而生，将大尺度沸腾换热的理论成果与微细通道的特性有机结合起来，成为一种新型的高效换热方式。重点对微细通道内气液两相流动型与换热特性进行了分析，以及不同制冷剂的研究和截面形状对微细通道沸腾换热的影响。

1　微细通道内气液两相流动型与换热的特性

由于微细通道沸腾换热本身所具有的特殊性、复杂性，对于机理研究一直是众多学者关注的焦点，但至今尚未达成共识。

Kandlikar等[4-5]认为主导微通道内两相流流动与传热特性，是蒸发过程中的表面张力与动量变化，以及黏性剪切力和惯性力，无论对于单相流还是两相流，随着微通道水力直径的减小，由摩擦引起的压降都将增大。微通道的水力直径较小，其对应的雷诺数（Re）也较小，介于100～1 000之间（对于更小的水力直径，Re可能更小），这是微通道内流动与常规尺度通道内流动明显的区别。核态沸腾成为微通道内主要的传热模式，高壁面温度是起始成核的必要条件，但同时会导致通道内液体快速蒸发，引起流动的不稳定性，并常常伴有返流现象。起始沸腾的热流密度随着微通道水力直径的减小而增大，核态沸腾开始后，壁面高热流立即向通道内的气泡传递热量，使之快速长大并充满整个通道界面。此外，在大量实验的基础上，提出了两个新的无量纲参数K1、K2，如式（1）。

式中：q为热流密度；hfg为蒸发潜热；D为水力直径；ρL、ρG为液相密度；σ为表面张力。Kandlikar认为，K2K10.75对临界热流密度（CHF）的预测更准确。

王国栋等[7]在8根直径为186 μm的梯形硅微通道入口处添加了三角形通道作为限制装置，三角形的截面面积约为梯形的20%。利用入口三角形通道有效的抑制了通道间的互相作用和上游的可压缩性，获得了稳定的流型。结果表明，维持热流不变，随着质量流率的减小，进出口压降先减小后增大；高质量流率时，通道内的流动可以看作单相流，当质量流率减小到某一值时，开始出现沸腾现象。截面含气率xe=0将通道内的流动分为过冷区和饱和区，如图1所示。在过冷区换热系数随含气率的增大而增大；在饱和区换热系数随含气率的增大而减小；当含气率为0时，换热系数随着热流密度的增大而增大；在高截面含气率（xe＞0.2）的区域，换热系数与热流密度无关，只取决于xe，可能是由于通道内出现了局部干涸现象。

Mahmoud等[6]通过实验获得了R245fa在微细通道内的流型。采用直径为1.1 mm的圆形铜管，质量流率100～400 kg/（m2·s），热流密度3～25 kW/m2。结果表明，通道内流型随热流密度的变化而明显变化，热流密度较小时，可以观察到四种典型流型，分别为泡状流、塞状流、扰动流和环状流，增大热流密度时，只有环状流最明显，目前尚无一种模型能够准确描述所有流型间的转化过程。

图1　换热系数与截面含气率的关系曲线图

马虎根等[8]对非共沸混合工质在石英玻璃微通道内的沸腾换热进行了可视化实验。结果表明，在质量流速很低（＜2 m/s）时，管内的流型从开始的弹状流逐渐发展为环状流，流速稍微增大后，流型很快转变为气状/雾状/环状等形态，且很不稳定，一般为几种流型同时存在；在高质量流率、低干度时，观察到管内流型为气状流、液状流交替出现的状态；在低干度时，出现液雾状流的时间比出现气状流的时间长；逐渐增大进口干度，同时降低质量流率，发现雾状和气状流的界线变得模糊，二者混合向前推移，此时压力很不稳定；对同一质量流率下不同干度的研究发现，随着进口干度的增大，通道内间隔流动的频率加快。

刘国华等[9]通过实验观察到丙酮在宽800 μm、深30 μm、长5 000 μm硅微通道内的周期性射流特性。采用低质量流速28～100 kg/（m2·s）及高热流密度295～690 kW/m2。对高、中、低三种沸腾数（Bo）下的流动特性进行实验，观测到三种典型的流型，且都具有毫秒级周期性射流的特点，每个周期内均出现了两相流、混沌、推进与流型收缩四个阶段。结果表明，Bo数较高的工况下，其周期长度分布的均匀性较差，周期内流动状态变化不规律，Bo数较低的工况下，其周期分布比较均匀，且周期长度相对较短，大致介于10～20 ms的范围内。从而可以得出结论：Bo数越高，周期性射流的不均匀性越明显。

图2　三种典型流型图

2　不同制冷剂

近年来，对于不同制冷剂在微细通道内沸腾换热特性的研究十分关注，尤其对复配制冷剂的研究更为突出。这有助于发现适用性更广泛的制冷工质；同时也为这一领域的发展提供了大量有价值的参考资料。

Madhour等[10]研制了一种用于CPU冷却的微通道制冷装置，结构尺寸（W×H）为：100 μm×680 μm，长15 mm。工质为R134a，质量流率205～1 000 kg/（m2·s），热流密度1.57～189 W/cm2。结果表明，微通道内的流型为气液两相流，沸腾换热使通道沿程具有很好的温度均匀性；热流密度达到188 W/cm2时，最大温度梯度为1.3℃/mm；换热系数随着热流密度的增大而增大，与质量流率无关，最大值为27 000 W/m2。在无进口过冷度，质量流率为1 000 kg/（m2·s）时，能将芯片温度控制在85℃以内。

图3　不同质量流率下换热系数的变化曲线图

Dong等[11]对R141b的沸腾换热特性进行实验。采用50根长为100 mm的矩形平行微通道，结构尺寸为（W×H）：60 μm×200 μm。质量流率400～980 kg/（m2·s），热流密度40～700 kW/m2。结果表明，平均传热系数受质量流率及热流密度出口含气率的影响很大，出口含气率为0.1时换热系数最大；通道内压降随着质量流率与热流密度的增大而增大。

Kuznetsov等[12]获得了R21在不锈钢微细通道内换热系数的变化规律。实验段由深640 μm、宽2 050 μm、长120 mm的10根平行微细通道组成。质量流率68～172 kg/m2·s，热流密度16～152 W/cm2，截面含气率0～1。结果表明，最大传热系数出现在通道进口处；在高热流密度下，换热系数h沿程快速减小，低热流密度下，h沿程变化不大。超过临界热流密度（CHF）后，h不再增大，反而随截面含气率的增大而减小。

Abadi等[13]对R134a和R245fa按1∶1混合后在细通道内换热系数的变化进行实验。通道直径3 mm，质量流率300～800 kg/（m2·s），热流密度1～69 kW/m2。结果表明，混合制冷剂质量流率对换热系数的影响较热流密度对换热系数的影响更大；混合制冷剂传热系数与流动特性无关；由于传质阻力增大，混合制冷剂的传热系数较单一制冷剂有所下降。

Hugo等[14]测定了R407C在微通道内的换热系数。实验采用0.1 mm×0.5 mm的矩形微通道，质量流率400～1 500 kg/（m2·s），热流密度310 kW/m2。结果表明，传热系数可达30 kW/（m2·℃）；含气率一定时，平均换热系数随着质量流率的增大而增大。

葛琪林等[15]对R410A在水平不锈钢微细通道内的沸腾换热进行了实验。通道内径2 mm，质量流率200～600 kg/（m2·s），热流密度5～15 kW/m2，干度0.1～0.8，饱和温度0℃与5℃。结果表明，当干度小于0.5时，换热系数随质量流率及饱和温度的变化很小，当干度大于0.5时，换热系数随质量流率及热流密度的增加均呈增大趋势；换热系数随着饱和温度的升高略有增大，但增幅较小；换热系数随着通道内径的变小而增大，进一步证实了微细通道结构有利于沸腾换热。

3　截面形状的影响

不同截面形状对微细通道内的流动与换热状态影响较大，有学者相继提出了众多具有代表性的结构，各具有一定的优缺点。结构的最优化设计也成为微细通道沸腾换热研究的一个重要方面。

Markal等[16]观测了去离子水在矩形微通道内的流动。实验采用29根水力直径为150 μm的平行微通道，质量流率分别为51、64.5、78、92.6 kg/（m2·s），热流密度59.3～86.1 kW/m2。结果表明，主要流型为泡状流和环状流，但随着热流与质量流率的变化以及通道间的互相影响，扰动流和雾状流也会出现；局部换热系数随着热流密度和质量含气率的增大而减小，随着质量流率的增大而增大；管内总压降随着热流密度的增大而增大，随着质量流率的增大而减小。

Yogesh等[17]探讨了去离子水在三种不同结构微细通道内的流型。选取了横截面一致的光管、横截面不同的光管及管内壁分段加肋片三种类型的矩形通道。质量流率400～3 300 kg/（m2·s），热流密度20～150 kW/m2。结果表明，分段加肋的通道换热系数比另外两种通道显著提高，横截面不同的光管换热系数较横截面一致的光管更高；在高热流密度下，横截面一致的光管内蒸气阻塞和返流现象较其他两种管型更明显。

杨朝初等[18]对不同水力直径的正方形与三角形微细通道内R113的流动情况进行了实验。通道直径1～6 mm，质量流率400～3300 kg/（m2·s），热流密度20～150 kW/m2，进口干度为0～0.1。结果表明，相同实验参数下，正方形、三角形等非圆界面通道比相近水力直径的圆形界面通道具有更好的换热效果；在低质量流速、高出口干度条件下，壁面温度沿程逐渐降低；平均换热系数随着干度的增大先增大后减小，极大值出现在干度为0.7左右。

张小艳等[19]通过实验对R417A在水平光滑管和内螺纹管内的沸腾换热作了对比。结果表明，保持热流密度不变，换热系数都随质量流率的增大而增大，且随着质量流率的增大，换热系数出现最大值时对应的干度越小；干度较小时，热流密度对换热系数的影响不大；在光滑管内，换热系数最大值对应的干度为0.5～0.8；随着热流密度和质量流率的减小，内螺纹管内换热系数出现最大值时对应的干度有所增大，如图4所示。

图4　不同质量流速时光滑管内换热系数随干度的变化

Han等[20]讨论了V型截面对沸腾换热的影响。通道长1 000 μm，V型界面的两边均为50 μm。进口质量流速为3 m/s，进口温度为298 K，热流密度为500 W/cm2。结果表明，V型通道具有低热阻、低质量流率、体积小和高效率等明显优势；进出口温差和壁面热阻都随质量流率的增大而减小；保持质量流速不变，体积流率随着入口面积成比例增大，但同时热阻也增大，这将导致进出口温差减小，即冷却效果变差。

图5　不同质量流速内螺纹管换热系数随干度的变化

4　总结与展望

微细通道沸腾换热技术以明显的优势引起了越来越广泛的关注，尤其在航空、航天与军事领域的应用具有广阔的前景。通过对这一领域最新进展的梳理与归纳，预测今后微细通道沸腾换热的研究热点与发展趋势有三个方面。

（1）进一步探究微细通道流动与沸腾换热的机理，尝试从理论上突破微细通道内流动与换热的规律[21]。由于微细通道结构本身所具有的特殊性，无法对其中的流动与传热形式进行直观的观察与分析，只能通过测量相关参数来推测其流动与换热特性，或借助高速相机使其可视。目前尚无一种普适的数学描述能解释微细通道内复杂的沸腾传热、传质过程，无论实验还是数值模拟所得经验公式往往只适用于特定的研究对象，但对其深层机理的解释众说纷纭，有些方面甚至出现了相反的结论。因此，今后应该进一步明确微细通道内沸腾现象与常规尺度下的区别，通过实验与数值模拟相结合的手段，对影响微细通道内流动与换热的因素进行系统分析，尝试建立相应的数据库，对各种因素间的相互关系进行深入探讨，在此基础上建立描述微细通道内流动沸腾的公式；

（2）不同制冷剂在微细通道内的沸腾换热特性的归纳比较。由于目前氟利昂类制冷剂面临逐步被替代的问题，寻找新型制冷剂十分必要。以往研究较多的是单一的常用制冷剂，随着理论研究的深入和实际应用的需要，近年来复配制冷剂引起了许多学者的重视，复配制冷剂较单一制冷剂具有更好的制冷效果。今后复配冷剂将是这一领域研究的热点之一。这有助于发现性能更优良的替代制冷剂；同时也可以积累相关实验数据，尝试建立适用性更广泛的关联式，推动微细通道换热机理的研究；

（3）微细通道结构的优化设计。不同截面形状对微细通道内的沸腾换热的影响较大，如三角形与矩形截面的微细通道比相同水力直径下的圆形通道具有更好的换热效果，采用内螺纹管或在管内壁加肋片较常规光管换热性能进一步提高。因此，可以借助先进的加工制造手段，探讨更多不规则结构微细通道内的流动沸腾特性，分析不同结构下微细通道流动沸腾的特点，同时比较不同管排方式的优缺点，为今后实际应用打下坚实的基础。

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REVIEW ON STUDY OF GAS-LIQUID PHASE BOILING HEAT TRANSFER IN MICRO/MINI-CHANNELS

LUO Xin-kui，WANG Yang，WANG Xiao-jun，YANG Qi，ZHANG Wen-rui
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Insitute of Physics，Lanzhou 730000，China）

As the instruments and equipments of microelectronic systems，aerospace and military field highly integrated，it is significant to solve the problem of disserting heat efficiently under high heat flux.Micro/mini-channel boiling heat transfer device with its characteristics such as small volume，light weight，large heat release has been paid more and more attention.However，the mechanism of heat and mass transfer in micro/mini-channels has not been thoroughly studied.This paper introduces the latest progress of the two phase flow in micro/mini-channels.We reviewed and analyzed the two phase flow models，refrigerants and the impact of channel configurations.

micro/mini-channels；gas-liquid two phrase；boiling heat transfer

TB657.5

A

1006-7086（2016）05-0249-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.05.001

2016-06-15

罗新奎（1990-），男，甘肃武威人，硕士研究生，从事低温工程及空间制冷技术研究。E-mail：853601824@qq.com。