噴霧冷卻換熱機(jī)理研究進(jìn)展

張雨薇，劉 妮，王 可

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噴霧冷卻換熱機(jī)理研究進(jìn)展

張雨薇，劉 妮，王 可

（上海理工大學(xué) 制冷技術(shù)研究所，上海 200093）

噴霧冷卻因溫度均勻性高，散熱功率大的特點(diǎn)在電子元器件散熱領(lǐng)域備受關(guān)注，但目前對噴霧冷卻換熱機(jī)理的研究尚未得出能夠被普遍認(rèn)可的結(jié)論。本文綜述了液膜蒸發(fā)、強(qiáng)迫對流、表面核態(tài)沸騰、二次核化這四種認(rèn)可度較高的換熱機(jī)理，指出了相應(yīng)的換熱模型；并以換熱機(jī)理為基礎(chǔ)指出了強(qiáng)化換熱的方式。

噴霧冷卻；換熱機(jī)理；綜述；液膜蒸發(fā)；強(qiáng)迫對流；核態(tài)沸騰；二次核化

噴霧冷卻具有換熱能力強(qiáng)、冷卻過程溫差小、溫度均勻性高、工質(zhì)需求量少等特點(diǎn)，因而很有希望解決半導(dǎo)體激光器、高集成微電子器件這類高熱流密度元件的散熱問題。Pais等[1]以水為工質(zhì)，使用空氣霧化噴嘴創(chuàng)造了厚度僅為幾個微米的液膜，從而得到的最終臨界熱流密度高達(dá)1 250 W/cm2。

目前，學(xué)者們主要的研究重點(diǎn)為如何提高噴霧冷卻的換熱能力，研究手段主要有實(shí)驗(yàn)研究和模擬仿真，并且得到了許多令人欣喜的成績；同時，學(xué)者們也從未放棄對換熱機(jī)理的探尋，但由于受到現(xiàn)有研究手段和研究方式的限制，學(xué)者們對換熱機(jī)理認(rèn)識不夠深入并且對一些換熱現(xiàn)象無法給出合理的解釋，因而尚未得出統(tǒng)一的結(jié)論。目前，涉及到噴霧換熱機(jī)理的文獻(xiàn)，大多只包含一到兩種換熱機(jī)理，無法詳細(xì)地闡述出從噴霧開始到換熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)這一完整過程的全部換熱機(jī)理，并且?guī)缀鯖]有學(xué)者直接從對換熱機(jī)理的分析上提出每個換熱階段相應(yīng)的強(qiáng)化措施。本文在總結(jié)了大量學(xué)者的工作基礎(chǔ)上，綜述了幾種認(rèn)可度較高的噴霧冷卻換熱機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上給出了強(qiáng)化換熱的方法，為今后的研究工作提供了一定的參考。

1 換熱機(jī)理

由于噴霧冷卻影響因素多、機(jī)理復(fù)雜，且受到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測試手段的限制，學(xué)者們對微觀換熱機(jī)理的認(rèn)識還不夠充足，對實(shí)驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中的許多現(xiàn)象還不能給出恰當(dāng)?shù)拿枋龊秃侠淼慕忉?，因此學(xué)者們尚未得出統(tǒng)一的換熱機(jī)理。目前學(xué)者們普遍認(rèn)可的是分別由Pais[1]，Mesler[2]，Yang[3]，Rini等[4]幾位學(xué)者提出的四個機(jī)理：（1）液膜蒸發(fā)；（2）強(qiáng)迫對流，（3）表面核態(tài)沸騰，（4）二次成核。前兩個是單相換熱區(qū)，其主要換熱機(jī)理貫穿噴霧冷卻的始終，后兩個發(fā)生在兩相換熱區(qū)，圖1即為這四種換熱機(jī)理的示意圖。

圖1 噴霧冷卻換熱機(jī)理示意圖

其他學(xué)者在研究中也提出過不同的換熱機(jī)理，例如Selvam等[5-7]利用二維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，氣泡脫離熱源表面后，過熱表面直接與空氣接觸，這時伴隨液體回填過程中所發(fā)生的熱傳導(dǎo)為噴霧冷卻具有強(qiáng)換熱能力的主要原因；Horacek等[8]通過分析接觸線長度和傳熱數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，接觸線長度對于噴霧冷卻換熱性能至關(guān)重要。

1.1 液膜蒸發(fā)

熱源表面液體薄膜中液體分子的蒸發(fā)是無沸騰區(qū)換熱的主要傳熱機(jī)制。如圖2所示，噴霧液滴噴射到表面上，來不及蒸發(fā)和排開的液體會在熱源表面上形成一層液體薄膜，這層液體薄膜厚度非常薄，通常只有幾百微米（300~500 μm）。液膜形狀受到噴霧液滴隨機(jī)運(yùn)動的影響，呈現(xiàn)出不規(guī)則狀態(tài)，但由于強(qiáng)迫對流的作用，液膜會不斷往兩邊移動，故整體上液膜一般為中間薄兩邊厚的形狀。且霧滴沖擊液膜將會產(chǎn)生額外的擾動從而減小液膜處的熱阻，大幅度提高整體換熱效率。

圖2 液滴沖擊減薄液膜降低熱阻示意圖

Pais等[1]通過實(shí)驗(yàn)提出：液膜蒸發(fā)在整個噴霧冷卻過程中是產(chǎn)生高熱流密度的最重要的原因，雖然沸騰區(qū)換熱對熱流密度的提高也有促進(jìn)作用，但沸騰換熱量只占總換熱量的35%~65%。Silk等[9]則通過比對實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液膜的適度蒸發(fā)比液膜全部蒸發(fā)能夠得到更大的熱流量。

1.2 強(qiáng)迫對流

如圖3所示，當(dāng)霧滴沖擊熱源表面時，霧滴將會在液膜內(nèi)引起強(qiáng)烈擾動，并且由于霧化錐角的存在，大部分液滴的路徑與液面有一個夾角，因而噴霧液滴對液膜有很明顯的推動和沖刷作用，并且液滴速度越大沖擊力越強(qiáng)，換熱能力也越強(qiáng)。

圖3 液膜內(nèi)強(qiáng)迫對流示意圖

Nevedo[10]以水為工質(zhì)在表面溫度為99℃時得到的熱流量為200 W/cm2，由于在99℃時沸騰還沒有發(fā)生，所以Nevedo認(rèn)為絕大部分熱流量歸因于強(qiáng)迫對流，且在兩相區(qū)，強(qiáng)迫對流在低熱流量和表面過熱度較低的階段仍是最主要的換熱方式。而影響強(qiáng)迫對流的因素主要有液滴粒徑、液滴數(shù)通量、噴嘴高度和角度、冷卻介質(zhì)質(zhì)量通量，Lefebvre[11]給出了液滴直徑與索特平均直徑的關(guān)系式：

式中：32為索特平均直徑；=3.5。在此基礎(chǔ)上王亞青等[12]提出了液滴數(shù)的計算式：

式中：為液滴直徑；i為有效流量，受到噴嘴高度和霧化角度的影響。圖4為噴嘴高度和霧化角度的示意圖。

圖4 霧化角度和噴嘴高度示意圖

且當(dāng)噴霧所形成的沖刷區(qū)域與熱源表面外切時，i最大且換熱效果最好。

Pautsch等[13]和Shedd[14]在2005年實(shí)施了一系列單噴嘴和多噴嘴的實(shí)驗(yàn)后，認(rèn)為熱源表面液膜為“雙層”湍流膜，在分析了液滴數(shù)通量和介質(zhì)質(zhì)量流量、粒徑、液滴速度對換熱的影響后，Shedd總結(jié)不同噴嘴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了液膜的換熱系數(shù):

=Cr0.5r0.5（3）

式中：為工質(zhì)密度；ρ為工質(zhì)比熱容；r和分別為表征流動特性和換熱特性的無量綱常數(shù)；且可由下式計算：

=0.1490.50.5（4）

1.3 表面核態(tài)沸騰

噴霧冷卻過程中，平面上一些凹凸不平的位置最先出現(xiàn)氣泡。Rini等[4]認(rèn)為這是由于加熱表面上的空穴作用促進(jìn)了氣泡的生長，且因?yàn)閺?qiáng)迫對流氣泡最先出現(xiàn)在表面四周再向中心蔓延。氣泡最初的產(chǎn)生是由于成核中心處吸收了熱源表面的熱量，溫度達(dá)到了工質(zhì)相變溫度，從而促使液體工質(zhì)氣化，氣泡產(chǎn)生后通過吸收熱源表面的蒸汽逐漸長大，相應(yīng)位置處熱源表面溫度開始降低，直到獲得足夠大的浮力用以克服液體表面張力和重力，氣泡才會脫離壁面向液膜上表面移動，在移動過程中，氣泡體積逐漸增大，這一過程與池沸騰非常相似，因此可以用池沸騰中的氣泡生長模型[15]來描述：

公式（5）表示的是氣泡直徑隨時間的變化模型，式中：∞為熱源表面平均溫度；sat為液體工質(zhì)的飽和溫度；1為液體工質(zhì)密度；v為氣化后介質(zhì)的密度；rl為液體工質(zhì)比熱容；l為液體工質(zhì)熱導(dǎo)率；fg為冷卻介質(zhì)氣化潛熱。

Rini等[4]通過定義特征時間得到了噴霧冷卻中氣泡直徑隨時間的變化模型：

式中：為特征時間，表示氣泡離開液膜所需的時間。

在池沸騰中，氣泡在離開成核點(diǎn)位置前需要相對較長的一段時間來獲得相對于其體積所需的浮力從而克服液體表面張力和重力，成核點(diǎn)處同時也需要一段時間來彌補(bǔ)其失去的熱量，將溫度恢復(fù)到液體工質(zhì)相變溫度，但在噴霧冷卻過程中，如圖5所示，霧滴的動力使其可以穿透液膜，頻繁地?fù)舸驘嵩幢砻?，加速氣泡破裂并離開成核點(diǎn)位置，縮短氣泡生命周期，另一個合理的原因是：強(qiáng)迫對流對表面上的氣泡有一定的沖刷作用，縮短了氣泡停留在熱源表面和新氣泡產(chǎn)生的時間。由于氣泡尺寸減小、生長周期縮短使得在噴霧冷卻過程中允許有更多的氣泡生長，在同一成核點(diǎn)周圍也可以產(chǎn)生更多的氣泡，大量學(xué)者的研究表明盡管池沸騰和噴霧冷卻沸騰換熱階段均包括相變傳熱過程，但是噴霧冷卻這些額外的促進(jìn)因素更有利于氣泡的產(chǎn)生以及充分利用氣化潛熱，所以噴霧冷卻所產(chǎn)生的熱流量幾乎比池沸騰所產(chǎn)生的熱流量要高一個量級。

圖5 液滴沖擊對表面成核的影響示意圖

Basu等[16]發(fā)現(xiàn)熱源表面產(chǎn)生的氣泡數(shù)目與靜態(tài)接觸角和表面過熱度有關(guān)，并且滿足以下關(guān)系式：

若w–sat≤15℃：

若w–sat>15℃：

式中：0表示熱源表面上氣泡核心數(shù)；s為靜態(tài)接觸角；w和sat分別表示壁面溫度和液體飽和溫度。

郭子義等[17]在此基礎(chǔ)上得到了由表面氣化核心引起的沸騰換熱的熱流密度計算模型：

式中：″為熱流密度；代表單個氣泡的質(zhì)量。將計算結(jié)果與Rohsenow[18]得到的核態(tài)沸騰熱流密度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Ρ龋摴降恼`差僅為7.97%。

1.4 二次核化

Rini[19]發(fā)現(xiàn)在表面過熱時，噴霧冷卻過程中液膜內(nèi)實(shí)際存在的氣泡數(shù)基本上都要大于理論氣化核心數(shù)目，即氣泡核心并非都是在表面上生成的，也有很大一部分由重新回到液膜內(nèi)的破碎氣泡充當(dāng)，Rini稱之為“二次核化”。二次核化帶來的換熱能力一直是許多學(xué)者研究的重點(diǎn)，但是目前依然存在很多爭議。Esmailzadeh等[20]和Sigler等[21]在其各自的研究中均發(fā)現(xiàn)在氣泡上升到液膜上表面時，大氣泡會破裂成許多個小氣泡，這些小氣泡重新回到液體膜中，當(dāng)其移動到熱源表面時，會再次充當(dāng)氣化核心促進(jìn)傳熱。Selvam等[7]通過數(shù)值模擬方法觀察液滴擊打氣泡的行為提出了另外一種觀點(diǎn)：液滴擊碎氣泡同樣有利于二次核化。液滴到達(dá)熱源表面時會將大氣泡擊碎成許多小氣泡，大量的小氣泡附著在液滴表面，隨著液滴沖擊到液膜內(nèi)，這些被帶回的氣泡在液膜內(nèi)或者熱源表面重新充當(dāng)氣化核心，并在適當(dāng)?shù)臈l件下生長成為氣泡。因此噴霧冷卻相比池沸騰成核密度要高許多，這些氣泡將會繼續(xù)提供更多的成核點(diǎn)并從熱源表面吸收熱量。

Esmailizadeh[20]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每個小液滴攜帶的“二次氣化核心”大多都不止一個。因而他提出用成核系數(shù)和成核范圍系數(shù)來表示二次核化對換熱的影響，其中成核系數(shù)表示單位數(shù)量的液滴所攜帶的氣化核心數(shù)目；成核范圍系數(shù)表示氣化核心距液滴中心的距離與液滴半徑的比值。的取值取決于不同的熱源表面狀況，并且Esmailizadeh指出壁面溫度越高，相應(yīng)的值越大，表面捕捉氣化核心的能力也越強(qiáng)。但筆者認(rèn)為噴霧冷卻換熱性能受到很多因素的影響，這些因素互相耦合相互影響，很難用兩個甚至更多個獨(dú)立的參數(shù)去斷定或表征換熱性能的好壞。例如，王亞青等[12]指出，在某個確定的壁面溫度下，通常存在一個最佳的值，他利用Rini[4]得出的結(jié)論：二次氣化核心可以用以下公式計算得出：

式中：≥1；dp為液滴半徑。公式(10)的前提假設(shè)為：每個液滴攜帶的二次氣化核心數(shù)目相同，即均為個，且每個核心在達(dá)到成核條件時均可發(fā)展成為氣泡，在此條件下，王亞青等以FC-72為冷卻介質(zhì)，對面積為15 m×15 m、溫度為66℃的表面模擬冷卻過程。結(jié)果表明，隨著的增大，氣泡數(shù)目增大且氣泡半徑減小，則相應(yīng)的換熱效果也得到改善，當(dāng)=6時，表征換熱性能的的各個參數(shù)基本穩(wěn)定；而當(dāng)固定在6時，隨著成核范圍的增大，熱流量不斷增大，且在=8時達(dá)到最大。作者認(rèn)為隨著增大，氣化核心之間的距離變大，從而氣泡可以吸收更多的熱量有利于自身的生長，但當(dāng)超過某個數(shù)值時，氣化核心的成長率因彼此間的重疊和交叉而受到干擾并開始下降。故壁面溫度為66℃時，最佳值分別為6和8。

筆者將王亞青的結(jié)果與Cho等[21-22]根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合出的核態(tài)沸騰熱流量的計算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸竭M(jìn)行了比較，公式（11）如下：

式中：We32為相對于某一索特平均直徑的韋伯?dāng)?shù)；pf為冷卻工質(zhì)比熱容；D為過熱度；為噴嘴到換熱面的距離。當(dāng)=6，=8時，模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突疚呛?。值得注意的是?dāng)忽略二次核化（即取0）時，對比結(jié)果相差甚大，這足以說明二次核化所引起的傳熱在核態(tài)沸騰中所占的比例非常大。

2 強(qiáng)化傳熱方式

由上文可知，噴霧冷卻中液體在表面的換熱主要分為單相換熱和沸騰換熱兩個過程。在無沸騰區(qū)，加熱表面的熱量從液膜傳遞到表面再由對流換熱和蒸發(fā)吸熱帶走，因此液膜厚度在整個換熱過程中起著非常重要的作用。液膜厚的地方熱阻相對較大，不利于換熱，但若厚度為零，熱源表面直接與熱蒸汽接觸，同樣不利于換熱。因此無沸騰區(qū)提高換熱能力的主要途徑有三個：一是在不破壞液膜整體性的情況下盡量減小液膜厚度，二是增加液膜熱導(dǎo)率，三是改變噴霧特性加強(qiáng)液膜內(nèi)的擾動。在沸騰區(qū)，氣泡的產(chǎn)生無疑是產(chǎn)生高熱流量的至關(guān)重要的因素，提高成核密度，縮短氣泡生命周期就顯得尤為重要。綜上，通過噴嘴改變噴霧特性，使用微結(jié)構(gòu)表面，在流體中添加固體顆粒和表面活性劑是幾種提高噴霧冷卻換熱能力的高效方式。

通過噴嘴改變噴霧特性是指通過改變噴嘴類型、調(diào)整噴嘴距離熱源表面的距離以及噴嘴與熱源表面的角度來改變噴霧壓力、液體質(zhì)量通量、液滴直徑、液滴數(shù)密度以及液滴速度等參數(shù)，得到最佳參數(shù)值以及各參數(shù)之間的耦合關(guān)系，從而促進(jìn)傳熱。其中對噴霧高度和噴霧角度的研究一直是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。對于噴霧高度對換熱的影響，各界的結(jié)論比較統(tǒng)一：即噴霧所形成的圓形沖刷區(qū)域與熱源表面相內(nèi)切時，換熱效果最好。這是因?yàn)榇藭r有效流量最大，所有的液滴均可以噴射到表面上且表面能夠被全部覆蓋不會出現(xiàn)干涸，同時液滴速度較高可以對液膜產(chǎn)生很好的擾動和沖刷作用。而對于傾斜噴射，學(xué)者們則存在很多爭議，有的學(xué)者認(rèn)為傾斜噴射沒有強(qiáng)化換熱的效果，有的學(xué)者則認(rèn)為在一定角度范圍內(nèi)，隨著噴射傾角的增大，換熱效果增強(qiáng)。但他們普遍認(rèn)同：傾斜噴射可以消除液膜中心滯止區(qū)，避免干涸，但會在一定程度上造成熱源表面溫度分布不均勻。

使用微結(jié)構(gòu)表面對噴霧冷卻的強(qiáng)化效果得到了學(xué)者們的一致認(rèn)可，并且各種結(jié)構(gòu)對換熱的強(qiáng)化作用都非常明顯，這是因?yàn)椋何⒔Y(jié)構(gòu)表面增大了換熱面積，增長了三相接觸線，且表面上存在更多的氣化核心，同時由于毛細(xì)力的存在，熱源表面液膜可以更加快速地排開。

改變流體性質(zhì)主要方法有在流體中添加納米顆粒和表面活性劑。前者的作用只要是可以提高流體導(dǎo)熱率，加強(qiáng)液膜內(nèi)的擾動，提高強(qiáng)迫對流，但在應(yīng)用時要注意解決納米顆粒沉淀、堵塞噴嘴以及磨損管道的問題。后者主要是增大液體表面張力從而減小液滴直徑、增大固液接觸角，但是也要注意表面活性劑與待冷卻表面相容性問題。

3 結(jié)束語

綜述了噴霧冷卻中液膜蒸發(fā)、強(qiáng)迫對流、表面核態(tài)沸騰和二次核化四個主要的換熱機(jī)理以及這四種換熱機(jī)理相對應(yīng)的換熱模型。最后根據(jù)換熱機(jī)理介紹了改變噴霧特性、使用微結(jié)構(gòu)表面和在流體中添加納米粉末流體和表面活性劑對噴霧冷卻的促進(jìn)原因，為噴霧冷卻強(qiáng)化換熱的研究提供一定的參考。

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（編輯：陳渝生）

Research progress on heat transfer mechanism of spray cooling

ZHANG Yuwei, LIU Ni, WANG Ke

(Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Spray cooling has good temperature evenness and heat exchange performance, so it was paid attention in electronic device cooling. The general admissive consult of spray cooling heat exchange mechanism was not obtained at present. This paper summarizes the mainstream of heat transfer mechanism of spray cooling including: evaporation off surface of the liquid film, forced convection arisen from droplet impingement,surface nuclear boiling and second nucleation by droplet impingement. The heat transfer model is also pointed out. Some methods to promote heat transfer mechanism are pointed out based on the heat transfer mechanism.

spray cooling; heat transfer mechanism; review; evaporation of the liquid film; forced convection; nuclear boiling; second nucleation

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.001

TM277

A

1001-2028（2016）11-0001-05

2016-09-29

劉妮

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 50706028）

劉妮（1974－），女，山東青島人，副教授。研究方向?yàn)槲娎鋮s技術(shù)等，E-mail:15195757313@163.com；

張雨薇（1991－），女，江蘇徐州人，研究生，研究方向?yàn)槲娎鋮s技術(shù)，E-mail: 15195757313@163.com。

2016-10-28 14:04:37

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1404.001.html