微肋陣通道沸騰起始點實驗研究

孔令健，劉志剛，季璨，江亞柯

(齊魯工業大學(山東省科學院)，山東省科學院能源研究所，山東 濟南 250014)

為了保證大功率微電子芯片的正常運行，微空間高效散熱[1-3]已成為傳熱領域的熱點問題。其中，微肋陣通道具有較高的面體比和換熱效率，其流動換熱特性[4-6]受到各國學者的關注。作為通道內單相與兩相流動的分界點，沸騰起始點(onset of nucleate boiling，ONB)前后流動與傳熱特性均發生了很大變化。因此，準確確定沸騰起始點對研究微通道沸騰傳熱規律和微空間散熱器設計具有重要的意義。

國內外學者對微通道內沸騰起始點進行了詳細的研究。Ghiaasiaan等[7]對直徑為0.1～1 mm的微型管內沸騰起始點進行了實驗研究和理論分析，結果表明，毛細力抑制了壁面微氣泡的產生，并對微通道內沸騰起始點產生了重要影響，同時常規尺度模型和關聯式難以對微通道內沸騰起始點的熱流密度進行預測。Qu等[8]在不同的流速和入口溫度范圍內對矩形微通道內沸騰起始點進行了實驗研究，并指出沸騰起始點的熱流密度隨質量流量的增大和入口溫度的降低而增大。Liu等[9]通過可視化方法對微通道內流動沸騰起始點進行了研究，并通過理論分析發展了沸騰起始點熱流密度和氣泡直徑的預測模型，該模型的預測結果與實驗測量和可視化分析的吻合度較高。Wong等[10]通過數值模擬分析了沸騰起始點發生前流體的流動和傳熱特性。結果表明，在微對流和主流共同作用下形成的波狀流動和循環流動等流型對過熱邊界層的厚度有很大影響，當液體溫度足夠高時氣化核心首先形成于較厚的邊界層中。齊守良[11]以液氮為工質，對微通道內較高雷諾數工況下沸騰起始點特性進行了研究。對微通道和常規通道沸騰起始點前后熱流密度、壓降、質量流量和壁面溫度的變化特性進行了比較分析，并針對高質量流速下沸騰起始點壁面過熱度較高的特性對Thom模型進行了修正，得到較好的預測精度。甘云華等[12]以丙酮為工質，對三角形截面微通道內沸騰傳熱特性進行了實驗研究，并發展了固定壓差條件下以質量流速的變化情況為判定依據的沸騰起始點判定方法。同時，各國學者還針對不同潤濕性[13]、微納米復合結構[14]及平行微通道[15-16]內沸騰起始點特性開展了詳細的實驗和理論研究。

綜上所述，研究者們對不同結構微通道內沸騰起始點特性進行了系統的研究，并發展了一系列的沸騰起始點熱流密度預測關聯式。但是，針對微肋陣通道沸騰起始點特性的研究在公開文獻中鮮有報道。本文以去離子水為工質，探索不同形狀的微肋陣通道內沸騰起始點壁面溫度和壓降的變化特性，并分析了各系統參數對沸騰起始點的影響規律。

1 實驗裝置

圖1為實驗系統示意圖，實驗工質為去離子水，實驗系統由高壓氣體供應系統、工質循環系統和數據采集系統組成。高壓氣體供應系統為工質流動提供驅動力，由高壓氮氣瓶、過濾器和調壓閥等設備組成。儲液罐中的去離子水在氣體壓力的驅動下，流經過濾器和流量調節閥。工質的流量由精密微流量計測量，在預熱器內實驗工質被加熱至設定溫度后進入微肋陣通道內進行測試。工質流出實驗段后被燒杯回收。實驗過程中工質的流量(m)、實驗段進出口壓降(ΔP)及工質和實驗段溫度(T)由微流量計、差壓變送器和T型熱電偶進行測量，上述裝置的電信號均由數據采集儀記錄并處理。

本實驗系統中采用一體式加工方式制作了紫銅實驗段，如圖2a所示。在紫銅柱底部均勻銑出9個加熱棒安裝孔，通過直流電加熱棒對實驗通道進行加熱。為了測量通道壁面的溫度和熱流密度，在實驗通道底面下部設置了2排共10個測溫孔，用于安裝T型熱電偶。通道底面與上排測溫孔間距離S1為1.5 mm，兩排測溫孔間距離S2為5 mm。采用704硅膠和有機玻璃片封裝實驗通道，并將封裝后的實驗通道與系統中進出口參數測量模塊相連接。實驗通道中的微肋采用交錯排列方式，如圖2b所示。通道寬W為5.8 mm，長L為40 mm。采用精密機械雕刻機(YF-DA7060)在實驗段的頂部雕刻出圓形、菱形和橢圓形三種形狀的微肋陣通道，如圖2c所示。表1為實驗通道內微肋的詳細結構參數。

圖1 實驗系統圖Fig.1 Diagram of the experimental system

圖2 實驗段示意圖Fig.2 Schematic of the experimental section

表1 微肋陣結構參數Table 1 Geometric parameters of the micro pin fin mm

2 數據處理

實驗系統中微流量計可測得工質的質量流量，根據質量流量和微肋陣通道最小截面可求得系統最大質量流速為：

(1)

式中，m為工質的質量流量，g/min；A為通道最小截面積，m2。通道最小截面積為：

A=H×(W-n×S)，

(2)

式中，H為通道高度，m；n為通道中各排中微肋數量的最大值；S為圓形微肋的直徑，菱形和橢圓形微肋的短徑長，m。

本實驗系統中，難以通過直接測量的方法獲得微肋陣通道底面的溫度，因此，根據加熱棒與通道底面間設置的兩排熱電偶所測的沿熱流方向的溫度分布及一維穩態導熱規律，可得通道底部壁面的溫度為：

(3)

式中，T1、T2分別為下排和上排熱電偶所測的溫度，°C。

根據傅里葉導熱定律，利用兩排熱電偶處的溫度梯度計算的加熱熱流密度為：

(4)

式中，λ為紫銅的導熱系數，W/(m·K)。

本實驗采用Moffat[17]誤差傳遞函數和系統誤差與隨機誤差的均方根法計算實驗測量的不確定度。實驗系統中質量流速的不確定度為0.68%，工質進出口溫度及通道壁面溫度的不確定度分別為0.25%和0.38%，熱流密度的相對誤差為2.31%。

3 實驗結果

為了研究微肋陣通道內沸騰起始點特性，本文選取圓形、菱形和橢圓形通道內質量流速G=292.8～412.2 kg/(m2·s)，工質入口溫度Tin=50.6～81.5 °C條件下的實驗數據進行了分析對比。

3.1 沸騰起始點確定

圖3為G=292.8 kg/(m2·s)，Tin=81.5 °C時，橢圓形微肋陣通道內壁面溫度和壓降隨熱流密度的變化情況。由圖3可知，在沸騰起始點之前，微肋陣通道壁面溫度隨著熱流密度的增大而呈現線性增大的趨勢；隨著壁面溫度的增大，通道內的傳熱方式由單相對流傳熱轉變為沸騰傳熱，由于傳熱方式的轉變，壁面溫度的變化脫離了線性增長的趨勢。因此，壁面溫度開始脫離線性增長規律的點為沸騰起始點。同時，沸騰起始點也被定義為通道內最早且持續穩定產生氣泡的位置。隨著氣泡在通道內產生，通道內工質的流動狀態轉變為氣液兩相流動，通道內的壓降也隨之增大。比較圖3中溫度和壓降曲線的變化情況可知，二者的變化趨勢轉折點相同，通道內壓降變化曲線也可作為沸騰起始點的判斷依據。

圖3 微肋陣通道沸騰曲線Fig.3 Boiling curves formico pin fin heat sink

3.2 沸騰起始點影響因素分析

為了研究微肋陣通道內質量流速對沸騰起始點的影響，選取入口溫度Tin=81.1 °C時，熱流密度q"=11.1～85.3 W/cm2,菱形微肋陣通道內質量流速為293.5～412.2 kg/(m2·s)范圍的實驗數據進行分析。如圖4所示，隨著質量流速的增大，菱形微肋陣通道內沸騰起始點的熱流密度也隨之增大。這主要是因為在單相對流傳熱過程中，當質量流速較低時，微肋陣通道管壁未被充分冷卻，從而使加熱壁面的溫度更容易達到臨界值，使沸騰現象在較低的熱流密度條件下即可發生。在沸騰起始點之后，通道內的傳熱方式主要為核態沸騰傳熱，此時通道內傳熱狀況主要受微氣泡行為的影響，單相對流傳熱所占比例越來越小，直至完全消失，所以主流液體的質量流速對沸騰傳熱的影響比較小。

圖4 質量流量對沸騰起始點的影響Fig.4 Effect of mass flux on ONB

圖5為質量流速G=234.4 kg/(m2·s)，熱流密度q"=12.0～244.0 W/cm2時，入口溫度對圓形微肋陣通道內沸騰起始點的影響。由圖可知，工質入口溫度越高，沸騰起始點的熱流密度越小。在單相對流過程中，入口溫度越低，過冷液體與加熱壁面間的傳熱溫差越大，從而強化了過冷液體的單相對流傳熱。在高過冷度液體的作用下，加熱面的溫度需在較大的熱流密度條件下才能達到氣泡產生的臨界條件。在沸騰起始點發生后，微通道內的工況和傳熱方式基本相同，此時入口溫度對通道內的傳熱狀況影響較小。詳細分析圖5可知，入口溫度降低10 °C，沸騰起始點熱流密度將增大7.1 W/cm2，所以入口溫度是沸騰起始點熱流密度的重要影響因素。

圖5 入口溫度對沸騰起始點的影響Fig.5 Effect of inlet temperature on ONB

圖6為質量流速G=290.6 kg/(m2·s)，入口溫度Tin=81.5 °C的條件下，微肋形狀對沸騰起始點的影響。如圖所示，在相同工況條件下，圓形微肋陣通道沸騰起始點熱流密度最高，菱形微肋陣通道次之，橢圓形微肋陣通道沸騰起始點熱流密度最小。在上述三種通道中，圓形微肋陣通道單相對流傳熱系數最大，而橢圓形微肋陣通道最小。在相同的工況條件下橢圓形微肋陣通道壁面的溫度最高，氣化核心最先產生。因此，橢圓形微肋陣通道沸騰起始點熱流密度最低，而圓形通道的熱流密度最高。在核態沸騰過程中，圓形微肋陣通道的傳熱效率依然高于菱形和橢圓形通道。這主要是因為在三種微肋的寬度相同的情況下，圓形微肋陣通道形成的次級通道的尺寸最大，微氣泡易于脫離；而橢圓形微肋陣通道形成的次級通道最小，氣泡在狹小的空間范圍內不易脫離，氣泡在加熱壁面表面形成氣膜阻止了液體工質與加熱壁面間的換熱，從而使壁溫迅速上升。

圖6 微肋形狀對沸騰起始點的影響Fig.6 Effect of micro pin fin shapes on ONB

4 結論

本文對圓形、菱形和橢圓形三種微肋陣通道內沸騰起始點特性進行了實驗研究，分析了微肋陣通道內沸騰起始點熱流密度和壁面溫度等參數的分布特性，并考察了質量流速、入口溫度和微肋形狀對沸騰起始點熱流密度的影響。研究結果表明，通過壁溫法確定的沸騰起始點與壓降變化曲線的轉折點相同，即壓降法亦可作為微肋陣通道內沸騰起始點的判定方法；微肋陣通道內沸騰起始點熱流密度隨質量流速的增大而增大，但是隨著入口溫度的增大而減小；在相同工況條件下，圓形、菱形和橢圓形微肋陣通道沸騰起始點熱流密度依次減小。