柱狀微結構表面強化沸騰換熱研究綜述

魏進家，張永海

（西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

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柱狀微結構表面強化沸騰換熱研究綜述

魏進家，張永海

（西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，陜西 西安 710049）

摘要：沸騰換熱是一種非常高效的熱傳遞方式，不論在地面常重力環境還是空間微重力環境下都有十分重要和廣泛的應用。強化表面結構是一種有效的無源強化換熱技術，而強制對流和射流沖擊作為高效的直接冷卻方式，在有源強化換熱技術中被認為是最有發展前景的冷卻方式。結合無源強化換熱技術和有源強化換熱技術同時進行強化沸騰換熱是進一步提高換熱能力的有效途徑。以電子器件高效冷卻技術為背景，對自主開發的微米級柱狀微結構表面強化沸騰換熱研究現狀進行了綜述，包括常重力條件下池沸騰、流動沸騰、射流沖擊、流動-噴射復合式沸騰換熱以及微重力條件下的池沸騰換熱。同時，與其他強化沸騰換熱表面結構進行了對比，總結并分析了各種強化表面結構及換熱方式的優缺點，為下一步的學術研究和工業應用提供相應的參考。

關鍵詞：柱狀微結構；池沸騰；流動沸騰；射流沖擊；微重力；傳熱；相變；兩相流

2015-07-10收到初稿，2015-09-08收到修改稿。

聯系人及第一作者：魏進家（1971—），男，博士研究生，教授。

Received date: 2015-07-10.

引 言

隨著MEMS技術的發展，電子器件集成化和高頻化程度不斷提高，電子器件特征尺寸不斷減小，導致芯片的熱通量不斷提高。耗能和散熱將成為整個信息產業甚至全球經濟性命攸關的大問題。電子元器件可靠性的改善、功率容量的增加、集成度的提高以及結構的微小型化等都直接取決于芯片熱控制問題的解決。熱致失效已經成為微電子器件失效的主要形式，傳統風冷方式的體積、噪聲和散熱性能已經不能滿足高熱通量散熱的要求，直接冷卻技術由于冷卻介質和散熱面直接接觸，能夠減小邊界層厚度和傳熱熱阻，從而具有高效的強化換熱能力。

沸騰換熱過程因相變潛熱的釋放而具有極大的熱傳遞能力，并具有傳熱系數高和傳熱溫差低的特點，是一種非常高效的熱傳遞方式，不論在地面常重力環境還是空間微重力環境下都有十分重要和廣泛的應用，如食品制造、機械制造、化學工程、熱能工程、核能建設、微電子器件散熱和航空航天領域等。圖1給出了幾種典型冷卻方式傳熱系數的對比，可以看出沸騰換熱的傳熱系數要遠大于其他冷卻方式，因此沸騰換熱是有望實現高熱通量換熱的有效途徑。

圖1 幾種典型冷卻方式傳熱系數的對比[1]Fig.1 Comparison of heat transfer coefficient of several typical cooling methods[1]

強化表面結構是一種無源強化換熱技術，在沸騰換熱過程中具有顯著的強化作用，可以大大提高臨界熱通量（CHF），降低壁面過熱度。自1930年以來，研究者們開始對強化沸騰換熱技術展開了大量的研究，并發展了各種類型的強化表面結構。強化沸騰傳熱表面的發展經歷了一個由常規大尺度到微納米尺度漸進的過程。1989年，在美國電氣和電子工程師協會鹽湖城會議上，首次提出了MEMS （micro-electro-mechanical-systems）概念，這是指特征尺度在1 mm ～ 1 μm之間集電子、機械于一身的器件。在這樣的器件中有氣體或者液體作為工作介質，其內部的流動與換熱就是一般的微尺度流動與換熱。微納尺度強化沸騰表面可以在有限的立體空間內極大增加換熱面積，提供更多的汽化核心，極大提高沸騰換熱的效率，因此必定是未來強化沸騰換熱技術的主導方向。而強制對流和射流沖擊作為高效的直接冷卻方式，被認為是有源強化換熱技術中最有發展前景的冷卻方式。結合無源強化換熱技術和有源強化換熱技術同時進行強化沸騰換熱是進一步提高換熱能力的有效途徑。

本文對自主開發的微米級柱狀微結構表面強化沸騰換熱研究現狀進行了綜述，包括常重力條件下池沸騰、流動沸騰、射流沖擊、流動-噴射復合式沸騰換熱以及微重力條件下的池沸騰換熱。同時，與其他強化沸騰換熱表面結構進行了對比，總結并分析了各種強化表面結構的優缺點，為下一步的學術研究和工業應用提供相應的參考。

1 池沸騰換熱

1.1 柱狀微結構

從20世紀70年代開始，以美國和日本兩國為主的研究者[2-5]通過在沸騰表面上加工凹坑和噴涂多孔介質等方法來提高電子器件液冷技術的沸騰換熱性能。進入20世紀90年代后期，美國得克薩斯大學的You教授課題組[6]開發的多孔介質表面能顯著促進沸騰換熱性能而引人矚目，并申請了美國專利。但他們的強化換熱面與其他研究者一樣，未能避免高熱通量時沸騰性能嚴重惡化的問題，導致臨界熱通量時的壁溫高于電子芯片正常工作的臨界上限溫度85℃。為了解決上述問題，近年來，本課題組魏進家教授和日本九州大學的Honda教授[7]共同開發設計出一種新型柱狀微結構表面，即采用干腐蝕技術在芯片表面加工出不同尺寸的微米級柱狀微結構。為了研究不同表面微結構對換熱的影響，制作了多組正規排列（aligned）柱狀微結構表面（寬×高：10 μm×60 μm, 20 μm×60 μm, 30 μm×60 μm，50 μm×60 μm, 30 μm×120 μm, 50 μm×120 μm, 30 μm×200 μm, 50 μm×200 μm, 50 μm×270 μm），分別稱為A-PF10-60, A-PF20-60, A-PF30-60, A-PF50-60, A-PF30-120, A-PF50-120, A-PF30-200, A-PF50-200, A-PF50-270，電子顯微鏡下的柱狀微結構如圖2所示。

圖2 電子顯微鏡下的柱狀微結構Fig.2 SEM images of micro-pin-fins

1.2 柱狀微結構池沸騰換熱性能

由于制作方法的不同，可以形成多種形式的強化表面結構，如噴涂表面[8]、復合法處理表面[9]、微機械加工表面[10]、化學沉積表面[11]、粗糙表面[12]、燒結表面[13]等，如圖3所示。圖4給出了柱狀微結構[14]和其他強化表面結構[8-13]的池沸騰換熱曲線，實驗工質均為常壓下飽和的FC-72。

在文獻[8-13]中，各位學者都研究了不同微結構尺寸對沸騰換熱效果的影響，圖4中給出的沸騰曲線均為各個文獻中換熱效果最好的工況。其中鉆石噴涂表面（diamond paint）[8]的鉆石粒子粒徑為8～12 μm，涂層厚度為40～45 μm；石墨多孔表面（porous graphite）[9]的孔隙直徑大部分小于1 μm，但是部分區域存在較大的孔隙，整個表面厚度為3 mm；微孔穴（micro-cavity）[10]的孔直徑為200 μm，深度為110 μm，間距為100 μm；碳納米管（carbon nano tube）[11]的密度為10 CNTs·μm-2; 粗糙表面（roughness surface）[12]的平均粗糙度為4.25～5.17 μm；雙重多孔燒結涂層（bi-porous sintered copper coatings）[13]的雙重粒徑分別為100和675 μm，涂層厚度為1 mm。

圖3 不同微結構表面Fig. 3 Micro-structured surfaces

圖4 不同微結構表面沸騰曲線的比較Fig.4 Comparison of boiling curves of different micro-structured surfaces

由圖4可知柱狀微結構表面有以下幾個特點：

第一，和光滑表面相比，柱狀微結構能極大強化沸騰換熱性能，核態沸騰的傳熱系數和CHF均有非常顯著的提高，并且到達CHF時的臨界壁面溫度遠低于電子芯片正常工作的上限溫度85℃。一方面，是由于柱狀微結構表面換熱面積的增加，另一方面，在高熱通量下氣泡與微柱之間存在液體微層從而形成汽液界面，在微柱之間產生毛細作用力，由此可誘導新鮮的過冷液體通過微柱之間形成的相互連通的規則微通道不斷到達加熱壁面上方從而進行液體蒸發換熱。

第二，從沸騰開始一直到臨界熱通量狀態，柱狀微結構加熱面的壁溫幾乎不隨熱通量的增加而提高，尤其是在高熱通量下，沸騰曲線非常陡直，壁面溫度較穩定，可以達到較高的CHF。由圖4可以看出，和其他6種強化結構表面相比，除了雙重多孔燒結涂層[13]以外，柱狀微結構A-PF50-270的CHF最高，很大程度上解決了高熱通量時沸騰性能嚴重惡化的問題，彌補了其他多數研究者開發的表面微結構的不足。

第三，柱狀微結構表面尚存在沸騰開始溫度偏高以及溫度過升量較大的問題，不利于電子器件的啟動。由圖4可以看出，改變加熱表面的表面粗糙度[12]在一定程度上可以強化換熱，但相比于其他強化結構表面，其強化換熱能力最差。而鉆石噴涂表面[8]、石墨多孔表面[9]、微孔穴[10]和碳納米管[11]可以在一定程度上降低沸騰起始過熱度，尤其是石墨多孔表面基本上解決了沸騰起始過熱度過高及溫度跳躍的問題。原因是石墨多孔表面內部結構為多尺度結構，所形成的孔隙尺度從納米級到微米級。當孔隙尺度小于一定值時（文獻[9]中認為是小于12.8 μm），其孔隙內部就不能被高表面張力的FC-72所潤濕，所以在小尺寸孔隙內存有大量的空氣，可以使沸騰順利啟動。但是，這幾種強化結構表面的CHF卻沒有柱狀微結構的高。從圖4可以看出，雙重多孔燒結涂層[13]的換熱性能要明顯好于柱狀微結構及其他強化表面結構。與石墨多孔表面[9]相比，雙重多孔燒結涂層表面[13]的粒子微團自身形成了從納米級到微米級的孔隙，可以使沸騰順利啟動，然后各微團之間又形成了幾百微米的孔隙，這一結構有利于氣泡的發展和脫離以及蒸發液體的補充，所以能夠達到較高的CHF。

綜上所述，目前高性能沸騰強化表面結構至少具備以下兩個特點：（1）強化表面結構應為納米到微米級的跨尺度結構，此結構有利于解決沸騰起始過熱度過高和溫度跳躍問題，即有利于氣泡的產生，具體的尺度與液體工質的物理性質有關；（2）在跨尺度強化結構表面的基礎上，應該進一步使微結構的形成有利于氣泡的發展和脫離，即減小氣泡的脫離阻力，并且有利于蒸發液體的補充。

1.3 柱狀微結構池沸騰換熱影響因素的研究

本課題組魏進家和Honda等[7,14-18]針對柱狀微結構表面進行了系統的研究。包括過冷度、除氣與否、芯片朝向及柱狀微結構尺寸對換熱的影響。結果發現，對于柱狀微結構池沸騰而言，隨著過冷度的增加，僅自然對流段向高熱通量偏轉，而核態沸騰段除了CHF有所提高外，幾乎沒有任何影響。另外發現，溶解氣對自然對流段影響較大，降低了沸騰起始溫度，而在高熱通量區，溶解氣的影響幾乎消失。Rainey等[19]同樣對多孔介質加熱表面和柱狀微結構表面進行了FC-72池沸騰實驗研究，也得出了同樣的結論。此外，除了A-PF50-60以外，所有柱狀微結構芯片的沸騰起始溫度和芯片的放置方向無關，但垂直放置時，其臨界熱通量要比水平放置時低20%。微柱的尺寸對換熱也有較大的影響，在微柱寬度一定的情況下，微柱高度越大，CHF越高；微柱高度一定的情況下，微柱寬度越大，CHF越高。柱狀微結構A-PF50-270在DTsub= 45 K的實驗工況下，得到最大的CHF為84.5 W·cm-2，是光滑表面的4.2倍。

2 微重力下池沸騰換熱

2.1 微重力下柱狀微結構池沸騰換熱性能

在微重力條件下，浮力的作用大大減弱，沸騰換熱過程被顯著影響。目前，國內外關于微重力條件下進行強化池沸騰換熱實驗研究的文獻報道很少。本課題組[20-23]利用國家微重力實驗室落塔實驗平臺，對光滑表面和正規排列柱狀微結構A-PF30-60和A-PF50-120在過冷FC-72中進行了短時微重力池沸騰實驗研究，結果表明與光滑表面相比，柱狀微結構在微重力條件下強化沸騰換熱的效果非常顯著，如圖5所示。

圖5 常重力和微重力下光滑表面和柱狀微結構表面與其他平板加熱器沸騰曲線的對比Fig.5 Comparisons of pool boiling curves of FC-72 on chip S and micro-pin-fins of present results with other data reported in literatures

柱狀微結構在微重力下的換熱性能顯著好于光滑表面。由于本課題組實驗過程中的液體過冷度比較高且液體工質沒有進行除氣處理，所以光滑表面的沸騰起始要比其他學者研究的結果早得多。隨著過冷度的增加，無論在常重力下還是微重力下換熱都強化。此外，光滑表面在微重力下的沸騰換熱實驗結果與Zhao等[24]、Raj等[25]和Di Marco等[26]的研究結果一致。沸騰曲線的斜率在高熱通量區大大降低，表明在微重力下高熱通量區的換熱明顯惡化。這一現象主要歸因于在高熱通量下產生的大氣泡覆蓋在光滑加熱表面上，新鮮的過冷液體不能及時供應到加熱表面以保持蒸發換熱，而導致加熱表面燒干引起了高壁面過熱度，造成了換熱惡化。

相比于常重力，在微重力條件下低熱通量區傳熱系數升高，在中熱通量區傳熱系數基本不變，而在高熱通量區傳熱系數降低；中、高熱通量條件下的氣泡周期性行為可以使過冷液體周期性地對氣泡進行冷卻，這也是核態沸騰換熱能夠在微重力下中、高熱通量區穩定進行的一個重要因素。由于實際換熱面積的增加，柱狀微結構A-PF50-120在不同重力水平下核態沸騰區的傳熱系數都要稍高于A-PF30-60。在換熱面積相差不大的情況下，微柱間距p較小的柱狀微結構能夠提供更大的熱毛細力，在高熱通量下能夠使充足的過冷液體到達加熱表面以維持蒸發換熱，因此能獲得更高的CHF。而在常重力下微柱間距p較大的柱狀微結構能獲得更高的臨界熱通量。此外，常重力下柱狀微結構的CHF約為光滑表面的2倍，而在微重力條件下約為光滑表面的3倍。

2.2 氣泡動力學分析

氣泡動力學是19世紀后期提出，并在最近幾十年逐漸發展起來的一個學科，主要研究氣泡在液體中長大和運動的規律。微重力條件下氣泡的生長和脫離直接決定了穩態的核態池沸騰換熱能否長期有效地維持。許多學者已經研究了氣泡的生長速率和脫離半徑，同時提出了許多著名的關聯式和模型來預測不同應用背景下的核態池沸騰換熱所產生氣泡的脫離半徑[27-33]。然而，由于沸騰現象本身的復雜性，至今仍沒有一個統一的關聯式或者模型能夠準確預測沸騰換熱過程中氣泡的脫離半徑。

在核態沸騰過程中，當熱通量較小時，氣泡主要以單個孤立小氣泡存在加熱壁面上，保持氣泡在加熱表面的力要大于使氣泡脫離壁面的力，通常把保持力稱作負向作用力（negative），脫離力稱作正向作用力（positive）。隨著熱通量逐漸增加，氣泡增長速度加快，當在某一時間點處正向作用力的增長值大于負向作用力時，表示氣泡達到分離條件。Karri[34]在1988年研究了重力水平對核態池沸騰的影響，并提出預測氣泡脫離半徑的力學平衡模型。在此模型中考慮了5種作用力，包括浮力Fb、表面張力Fs、黏性阻力Fd、慣性力Fi和壓差力Fp。本課題組[23]對微重力實驗中的氣泡動力學行為進行了理論分析，研究了加熱表面氣泡生長受到的各種動態和靜態作用力，如圖6所示，并考察了各種作用力對氣泡增長的影響和作用。然而對于過冷條件下的池沸騰實驗，加熱壁面附近液體的溫度要比遠離壁面的液體溫度高得多，因此在氣泡周圍的液體會有一個溫度梯度。一般來說，表面張力隨著溫度的增加而減小。溫度梯度的存在會使氣泡周圍產生熱毛細對流，也稱為Marangoni對流，由于溫度梯度的存在而產生的Marangoni作用力會將氣泡壓向液體溫度較高的一側，結果導致氣泡很難離開加熱壁面。因此反向作用力Marangoni作用力FM在過冷沸騰實驗中不應該被忽略掉。因此，本課題組提出的力學平衡模型是在Karri[34]力學平衡模型的基礎上考慮了Marangoni作用力FM，所以力學平衡表達式如下

圖6 氣泡受力分析示意圖Fig.6 Forces acting on a growing bubble

對于柱狀微結構在微重力下的核態沸騰換熱而言，如圖7所示，Karri模型的預測結果不論在低還是高熱通量下都不理想；考慮了Marangoni作用力FM的力平衡模型只能很好地預測其在低熱通量下的氣泡脫離半徑；但不能預測中、高熱通量區的氣泡脫離半徑。在中、高熱通量區，強大的熱毛細對流使大量的小氣泡停留在柱狀微結構加熱表面上并不斷和主氣泡合并。因此大量的小氣泡將主氣泡與加熱表面聯系在一起并產生了一個方向向下的附加阻力作用在主氣泡上，從而阻止主氣泡脫離加熱表面。因此要想準確預測微重力下中、高熱通量區氣泡脫離的半徑，必須考慮氣泡的合并作用。

在本課題組提出的氣泡動力學混合模型中，由于氣泡合并而導致氣泡半徑增大的部分是通過下列步驟計算而得到的。第一，單位時間單位加熱面積上過熱液體不斷蒸發產生蒸汽，其中一部分促使氣泡不斷長大。第二，本研究采用的微結構微通道加熱壁面在聚合大氣泡底部不斷有液體供應，并且進行蒸發產生的諸多小氣泡不斷被上面的聚合大氣泡所吸收，發生劇烈的橫向或縱向合并從而導致氣泡脫離半徑進一步增大。根據質量守恒定律，單位時間內氣體的總蒸發量可以表示如下

式中，α為不會使氣泡體積增大的氣體蒸發量（包括發生冷凝又溶解到液體中的質量、因對流作用使得部分蒸氣發生擴散而帶走的質量和不凝性氣體的質量）占總蒸發量的比例；b為常數；rv為FC-72氣體密度；V為單個大氣泡脫離前球體總體積；n 為大氣泡的脫離頻率。因此，氣泡的脫離半徑Rd的表達式如下

其中脫離頻率可由實驗數據得到，對于柱狀微結構而言，在低熱通量下只有少量的氣泡合并，因此傳統的力平衡模型可以很好地預測氣泡的脫離半徑，因此選擇柱狀微結構A-PF30-60在低熱通量條件下的兩個點作為已知條件，由力平衡模型計算而得到的氣泡脫離半徑可以求解式（3）中的未知數α和b，因此，最終的脫離半徑Rd的表達式如下

本課題組提出的氣泡動力學混合模型，能夠較為準確地預測中、高熱通量下的氣泡脫離半徑，并且與實驗統計平均值吻合較好，理論值與實驗值的相對誤差較小，在30%以內，如圖7所示。

圖7 光滑表面和柱狀微結構表面氣泡脫離半徑的理論預測值和實驗值比較Fig.7 Comparison of experimental results with predictions by force balance model and bubble merged model in microgravity

2.3 微重力條件下柱狀微結構強化換熱機理

相比于光滑表面，柱狀微結構在微重力下仍然表現出良好的換熱性能，尤其是在中、高熱通量條件下，主要原因是在微重力水平下柱狀微結構產生的氣泡能夠連續不斷地脫離加熱表面。通過分析總結，機理如下。

第一，對于柱狀微結構表面而言，在高熱通量區，盡管加熱壁面和光滑表面一樣都被合并生成的蘑菇狀大氣泡所覆蓋，如圖8所示，但是在大氣泡與微柱之間存在液體微層從而形成汽液界面，在微柱之間產生毛細作用力，由此可誘導新鮮的過冷液體通過微柱之間形成的相互連通的規則微通道不斷到達加熱壁面上方從而進行液體蒸發換熱，以保障大氣泡不斷長大，直到其能夠脫離加熱表面。而隨著熱通量進一步增加，微柱之間產生的毛細作用力已無法克服微柱之間浸潤液體的水力阻力，導致泵吸的新鮮液體受阻，從而使加熱壁面蘑菇狀大氣泡底部微液層出現局部蒸干，并很快向整個壁面擴展，最后達到臨界狀態。

圖8 柱狀微結構高熱通量下沸騰現象的機理Fig. 8 Bulk liquid supply and micro-convection caused by capillary force

第二，在微重力條件下浮力作用雖然大大削弱，但是仍有殘余重力加速度。同時液體過冷會產生一個抑制氣泡脫離的Marangoni作用力。通過氣泡的受力分析可以看出，當氣泡長大到一定程度時，仍然能夠脫離加熱表面。當然前提是有充足的新鮮液體供給以保證氣泡能夠長大到可以脫離加熱表面的尺寸，柱狀微結構的微結構通道正好能夠保證這個條件，而光滑表面卻不能保證。

第三，氣泡在垂直方向的合并拖拽作用也是氣泡脫離加熱表面的一個重要原因，而其產生的原因是在微重力條件高熱通量下，柱狀微結構加熱表面不斷產生大氣泡并且脫離加熱表面，當大氣泡脫離加熱表面后由于浮力的減小導致其非常緩慢地上升，而此時加熱表面會迅速形成另一個大氣泡，在加熱壁面上迅速生長和已脫離加熱表面緩慢上升的兩個大氣泡最終會合并，并迅速形成一個更大氣泡從而導致下面的氣泡迅速脫離加熱壁面，從而形成一個合并拖拽的過程。如圖9所示，氣泡的合并可以加快氣泡的脫離和熱量的帶走，使過冷液體迅速到達加熱表面，同時可以對加熱表面上產生的氣泡進行冷卻，帶走部分熱量。

圖9 柱狀微結構高熱通量下垂直方向上的氣泡合并沸騰現象及機理示意圖Fig.9 Boiling phenomenon and mechanism schematic diagram of large bubble coalescence in vertical direction

3 強制流動沸騰換熱

由于不導電液體普遍具有較高的壁面潤濕特性和較低的熱導率，從而導致沸騰傳熱性能差且沸騰傳熱所需的壁面過熱度較高。因此，采用主動式強化換熱技術來降低沸騰起始溫度、強化核態沸騰和提高臨界熱通量是有效的技術手段。其中，平行于加熱面的橫向流動沸騰換熱和垂直于加熱面的射流沖擊換熱都是高效的強化換熱技術。

3.1 流動沸騰強化換熱性能

本課題組[35-36]對光滑表面和正規排列的柱狀微結構A-PF50-60、A-PF30-60、A-PF50-120和A-PF30-120進行了流動沸騰換熱實驗研究，研究了流速、過冷度及柱狀微結構尺寸對換熱的影響，并利用高速攝像機對換熱面沸騰換熱現象進行觀測。圖10顯示了過冷度為35 K時的柱狀微結構流動沸騰換熱曲線。

研究發現，所有的柱狀微結構表面相比于光滑表面都顯示出較大的強化沸騰換熱效果。在沸騰未開始之前，熱量主要以單相對流換熱進行，此時，熱傳遞受過冷度的影響很大。過冷度越大，芯片的冷卻效果越好。而當換熱進行到沸騰換熱時，單相對流和氣泡狀沸騰換熱共同起作用。沸騰換熱中，由于有相變的發生，利用汽化潛熱換熱可使換熱量大幅度提高。氣泡的生成和脫離對沸騰換熱影響較大，氣泡分離尺寸越大，脫離頻率越高，換熱量越大。過冷度增大，氣泡分離尺寸減小，但脫離頻率增大，兩者的相互作用也使得換熱效果產生差別。本實驗中，增大過冷度，能明顯提高換熱效果，增加臨界熱通量值，減小芯片壁面過熱度，提高芯片冷卻效果。

圖10 柱狀微結構流動沸騰換熱曲線Fig.10 Flow boiling curves of micro-pin-fins(DTsub=35 K)

在低熱通量單相換熱區域：流速越大，曲線的斜率越大。壁面過熱度相同時，熱通量隨著流速的增大而增大，且增幅非常明顯。在沸騰換熱區域：流速越大，沸騰所需的壁面過熱度越高，導致沸騰起始點滯后。在兩相沸騰換熱區域，當流速較低時，核態沸騰在熱傳遞中起主導作用，當流速較高時，對流換熱和沸騰換熱同時起作用，熱傳遞受流速的影響較大。A-PF30-120與A-PF50-120芯片在流速2 m·s-1，過冷度35 K時，最大CHF可達148 W·cm-2，且壁面溫度低于芯片回路正常工作的臨界上限溫度85℃。

通過高速攝像機拍攝到的照片可知，汽泡在微柱狀之間生成、長大并脫離。當芯片表面溫度高于冷卻液體的飽和溫度時，汽泡在微柱的根部生成，在汽泡和加熱面之間存在著一層液體微層，隨著液體微層的蒸發，氣泡在狹小有限的空間長大。長大后的氣泡脫離芯片底部上升，在微柱狀之間的頂部停留一段時間并進一步長大，氣泡長大的過程中，在熱毛細效應的作用下，柱狀側面的液體微層向上移動，形成微對流，增強了換熱。氣泡和側面微層向上移動過程中，也受到柱狀側面的流動阻力。柱狀側面被激活后，有效換熱面積增大，液體蒸發面積增大。隨著熱通量的增大，汽化核心數目也增加，越來越多的柱狀側面被激活，沸騰換熱中有效的換熱面積越來越多，使得芯片表面溫度隨著熱通量的增大變化不大，沸騰換熱曲線非常陡直。

3.2 射流沖擊強化換熱

3.2.1 單相換熱區擬合關聯式 研究者們通過大量的實驗研究形成了多個針對受限浸沒射流沖擊換熱Nusselt數擬合關聯式[37-39]。如表1所列，可以看出針對不同條件下的射流沖擊換熱，其影響因素很多，包括噴嘴數目、噴嘴形狀、噴射距離、Reynolds數、Prandtl數、過冷度、是否為受限流動、加熱面特征及噴射入射角等。由于其影響因素眾多，大部分研究者的關聯式在擬合自己的實驗時能夠很好地預測換熱行為，但是在描述其他實驗時都存在不足之處，因此到目前為止仍然沒有一個通用的關聯式被大家所公認。

表1 射流沖擊換熱Nusselt數擬合關聯式Table 1 Nusslet number correlations of jet impingement

本課題組[40]對柱狀微結構表面浸沒式射流沖擊實驗單相換熱區的80組實驗數據進行了擬合。實驗中發現Reynolds數Re、相對噴射距離H/d、柱狀微結構面積強化比A/As以及柱狀微結構的高和間距之比h/p對換熱的影響顯著，其中A為柱狀微結構的實際表面積，As為光滑表面的表面積。因此使用5個量綱1的參數，分別是Re、Pr、H/d、A/As以及h/p，對實驗數據進行了多元回歸線性分析，其擬合關系式如下

圖11顯示了柱狀微結構表面射流沖擊單相換熱區擬合關系式和實驗數據的符合程度，其中95%的實驗數據處于±25%以內，實驗值和擬合值的最大誤差為30%。

圖11 柱狀微結構表面射流沖擊單相換熱區實驗值與擬合值的對比Fig.11 Comparison between experimental and predicted Nusselt number of micro-pin-fins in single-phase region

3.2.2 柱狀微結構射流沖擊強化換熱性能 射流沖擊近年來得到了廣泛的關注，因其能夠高速沖擊換熱表面，在其表面形成很薄的速度和溫度邊界層，減小傳熱熱阻，是一種高效傳熱的有效手段。本課題組[41-43]實驗研究交錯排列（staggered）柱狀微結構表面S-PF50-60、S-PF30-60、S-PF50-120和S-PF30-120的射流沖擊強化沸騰換熱特性，包括噴射速度、微結構的排列方式、不同微結構、噴嘴數目及噴射距離對其換熱性能的影響，同時對正規排列柱狀微結構表面和光滑表面進行相應的實驗研究作為對比。圖12顯示了過冷度為35 K時的交錯排列柱微微結構射流沖擊沸騰換熱曲線。

通過實驗研究發現了柱狀微結構射流沖擊沸騰換熱特性可以歸納為以下幾點。

第一，交錯排列柱狀微結構射流沖擊傳熱系數和CHF都高于正規排列柱狀微結構，相比于正規排列柱狀微結構，S-PF50-60、S-PF30-60、S-PF50-120 和S-PF30-120的CHF分別平均提高了4%、10%、4%和9%。

第二，在Reynolds數及其他工況相同的情況下，不同噴嘴數目對換熱的影響不同。當噴嘴數目n = 4時，所有換熱面的壁面溫度最低，臨界熱通量最高，傳熱系數最高，其次是n = 9，傳熱系數和CHF最低的是n = 1。在相對噴射距離H/d0= 1～3的范圍內，所有換熱面的傳熱系數和CHF在H/d0=1時最高。單相對流區和核態沸騰區的平均Nusselt數都隨著Reynolds數的增加而線性增加。柱狀微結構的平均Nusselt數要比光滑表面的平均Nusselt數大得多。

圖12 柱狀微結構射流沖擊沸騰換熱曲線Fig.12 Jet impingement boiling curves of micro-pin-fins(DTsub=35 K)

第三，柱狀微結構在射流沖擊強化沸騰條件下最大臨界熱通量qmax隨著過冷度和噴射速度的增加而增加。此處的最大臨界熱通量是指壁面溫度不低于85℃時所能達到的最大熱通量。在相對噴射距離H/d0= 1～3范圍內，隨著H/d0的增加而減小。

3.3 流動-噴射復合式沸騰換熱

本課題組[44-45]對光滑表面和正規排列的柱狀微結構A-PF50-60、A-PF30-60、A-PF50-120和A-PF30-120換熱面進行了流動-噴射復合式強化沸騰換熱研究。同時，研究了過冷度、橫流速度、噴射速度及柱狀微結構尺寸對換熱的影響。相比于光滑表面，在相同工況下柱狀微結構的CHF更高，且在沸騰區域壁面過熱度低，其換熱性能與工作穩定性都優于光滑表面，顯示出較好的強化沸騰換熱性能。A-PF30s系列換熱面相對于A-PF50s系列換熱面而言，具有較大的h/p和表面積強化比，所以CHF也更高，如圖13所示。

此外，柱狀微結構表面流動-噴射復合式沸騰換熱特性可以歸納為以下幾點。

第一，低熱通量區域，換熱以單相強制對流換熱為主，高熱通量區域，單相強制對流和核態沸騰換熱共同作用，相變換熱可以大幅度提高換熱量，沸騰曲線斜率明顯變大。

第二，過冷度對所有表面結構的換熱影響規律是一致的。過冷度增大，氣泡尺寸減小，相互之間碰撞聚集概率也減小，氣膜難以成形，允許單相對流換熱的存在，從而保證冷流體到達換熱表面進行換熱，同時過冷流體在達到飽和溫度之前可以吸收更多的熱量，整個換熱曲線向左移動。增大過冷度，無論是單相對流區還是核態沸騰區，都能明顯增強換熱效果，減小芯片壁面過熱度，提高CHF值。

圖13 柱狀微結構流動-噴射復合式強化沸騰換熱曲線Fig.13 Flow-jet combined boiling curves of micro-pin-fins(DTsub=35 K)

第三，流速對沸騰換熱的影響是雙方面的。增大流速(橫流速度和噴射速度)一方面可以減小邊界層厚度，并且將沸騰時產生的氣泡迅速帶離表面，導致沸騰起始點滯后，但另一方面卻抑制了核態沸騰，使得沸騰曲線的斜率降低，使得純流動沸騰在高熱通量區域內的換熱性能降低。射流沖擊冷卻在一定程度上彌補了不足，強化了單相強制對流換熱比例，提高高熱通量下的CHF值。高速射流沖擊尤其是低橫流條件下的射流沖擊可以在較低壁面過熱度下獲得較高的熱通量值，隨著橫流速度的增加，射流沖擊的強化作用逐漸減弱。在相同流體質量流量條件下，低橫流速度高射流沖擊速度組合產生的強化換熱效果要高于高橫流速度低射流速度組合。

第四，柱狀微結構表面換熱的強化是由于表面積強化比增大引起的，微對流運動和液體微層的蒸發是增加換熱面積的主要因素，微對流運動是由于毛細泵吸效應引起的，毛細力和流動阻力間的相互關系共同決定了柱狀結構的合理尺寸，而h/p，流速vc或vj則成為影響微對流換熱的重要參數。當h/p值較小或速度較大時，換熱表面更容易受到流動的影響，阻止了核態沸騰的發生。

3.4 幾種強化沸騰換熱方式的比較

到目前為止，本課題組對光滑表面和柱狀微結構表面進行了池沸騰、流動沸騰、流動-噴射復合式沸騰及射流沖擊強化沸騰換熱。圖14給出了柱狀微結構表面A-PF30-120在不同沸騰方式下的沸騰換熱曲線的比較，過冷度為ΔTsub= 25 K，同時和Andrew等[46]及Rainey等[47]的實驗結果進行了比較。柱狀微結構在流動沸騰和射流沖擊狀態下的換熱性能要明顯好于Andrew等[46]的光滑表面及Rainey 等[47]的光滑表面及多孔結構表面。因為相比于光滑表面和多孔結構表面，柱狀微結構不僅可以在高熱通量下產生大量的氣泡，而且由于其規則的排列結構可以使氣泡及時被高速的橫流或者射流帶走，因此可以得到高傳熱系數和CHF。

從本課題組所有的實驗結果可以得出：

第一，相比于池沸騰，流動沸騰、射流沖擊和流動-噴射復合式沸騰換熱均可以顯著提高柱狀微結構的換熱性能，降低壁面過熱度，提高CHF。

第二，在3種強制流動沸騰換熱方式中，CHF大體上按照流動-噴射復合式沸騰換熱、射流沖擊、流動沸騰的順序依次減小，傳熱系數大體上按照流動沸騰、流動-噴射復合式沸騰換熱、射流沖擊的順序依次減小。流動沸騰在高熱通量下的換熱性能惡化，不能達到特別高的CHF，而射流沖擊則可以提高CHF，但是由于其局部強化換熱的特點，導致壁面溫度整體偏高。因此流動-噴射復合式沸騰換熱是最理想的換熱方式。此外，流動沸騰換熱可以減小池沸騰中因提高過冷度而帶來的制冷單元成本的增加，流速和過冷度的增加都可以明顯降低壁面過熱度，實現較好的強化換熱效果，而射流沖擊冷卻對單相對流段和核態沸騰段都有一定的強化作用，高速沖擊可以有效破壞氣膜，保證換熱的進行，進一步提高柱狀微結構表面在高熱通量下的換熱性能，再次提高臨界熱通量。本課題組所研究的結果中，當橫流速度vc=0.5 m·s-1，射流速度vj=2 m·s-1時，強化效果最大。實驗條件下所能達到的最大允許熱通量值為167 W·cm-2，且達到臨界時的壁面溫度遠小于85℃。

4 結 論

（1）對常重力池沸騰而言，柱狀微結構（邊長為10～50 mm，高度為60～270 mm）具有沸騰曲線陡直、臨界熱通量高的特點。柱狀微結構PF50-270在DTsub= 45 K的實驗工況下，得到了最大的CHF 為84.5 W·cm-2，是光滑表面的4.2倍。但是，尚存在沸騰開始溫度偏高以及溫度過升量較大的問題，而在柱狀微結構的基礎上發展跨尺度微結構表面可以有效解決這一問題。

（2）對微重力池沸騰而言，柱狀微結構仍然具有沸騰曲線陡直、臨界熱通量高的特點，其CHF約為常重力的2/3，約為微重力下光滑表面的3倍，該研究目前處于國際領先地位。此外，發展了氣泡動力學混合模型，能夠較為準確地預測氣泡的脫離半徑。

（3）流動沸騰、射流沖擊和流動-噴射復合式沸騰換熱均能顯著提高柱狀微結構的換熱性能，包括傳熱系數和CHF。其中流動-噴射復合式沸騰換熱的換熱效果最為明顯，實驗中所能達到的最大臨界熱通量為167 W·cm-2，且達到臨界時的壁面溫度遠小于電子器件正常工作溫度的上限85℃。

（4）柱狀微結構表面換熱性能的提高，一方面是由于表面積強化比增大引起的，另一方面，微柱間的微對流運動和液體微層的蒸發也是換熱強化的主要因素，微對流運動是由于毛細泵吸效應引起的，毛細力和流動阻力間的相互關系共同決定了柱狀微結構的合理尺寸。

符 號 說 明

As——光滑表面面積，cm2

CHF ——臨界熱通量

d ——噴嘴直徑，m

d0——等效噴嘴直徑，m

Fb——浮力，N

Fd——黏性阻力，N

Fi——慣性力，N

FM——Marangoni力，N

Fp——壓差力，N

Fs——表面張力，N

1g ——常重力下重力加速度

mg ——微重力下重力加速度

H ——噴射距離，m

h ——柱狀微結構的柱高，mm

m ——蒸氣質量，kg

Nu ——Nusselt數

n ——噴嘴數目；氣泡脫離頻率，s-1

Pr ——Prandtl數

p ——柱狀微結構的柱間距，mm

q ——熱通量，W·cm-2

qmax——最大臨界熱通量，W·cm-2

R ——氣泡半徑，m

Rd——氣泡脫離半徑，m

Re ——Reynolds數

s ——噴嘴間距，m

T ——溫度，℃

DTsat——壁面過熱度(DTsat=Tw-Tsat)，K

DTsub——壁面過冷度(DTsub=Tsat-Tbulk)，K

V ——氣泡體積，m3

v ——速度，m·s-1

q ——接觸角，(°)

ρ ——密度，kg·m-3

下角標

bulk ——流體

c ——橫流

d ——脫離

j ——噴射

sat ——飽和狀態

sub ——過冷狀態

v ——氣體

w ——壁面

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Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51225601), and the Scientific Research Program for New Lecturer of Xi’an Jiaotong University (DW010728K000000B).

Review of enhanced boiling heat transfer over micro-pin-finned surfaces

WEI Jinjia, ZHANG Yonghai
(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)

Abstract:Boiling heat transfer has significant application under normal gravity and under microgravity in space due to its high efficiency in heat transfer with phase change. Using treated surfaces is an alternative passive technique for enhancing boiling heat transfer. Forced convection and jet impingement, which are considered as the most promising cooling method, are active techniques. Combination of these passive and active techniques is an effective way to improve the heat transfer capability. The results of enhanced boiling heat transfer over our self-developed micro-pin-finned surfaces are reviewed in this paper, including pool boiling, flow boiling, jet impingement, flow-jet combined boiling heat transfer under normal gravity, and pool boiling heat transfer under microgravity. The results of enhanced boiling heat transfer over micro-pin-finned surfaces with different heat transfer modes are compared with those over other structured surfaces, and the advantages and shortcomings are pointed out. This review can provide useful information for further academic research and industrial application.

Key words:micro-pin-fins; pool boiling; flow boiling; jet impingement; microgravity; heat transfer; phase change; two-phase flow

Corresponding author:Prof. WEI Jinjia, jjwei@mail.xjtu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金項目（51225601）；西安交通大學新教師啟動計劃（DW010728K000000B）。

中圖分類號：TK 124

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）01—0097—12

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151107