微通道臨界熱通量的基礎(chǔ)理論與提升技術(shù)研究進(jìn)展

袁旭東，賈磊，周到，趙盼盼，吳俊峰，王汝金

（1 合肥通用機(jī)械研究院有限公司，壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031；2 合肥通用環(huán)境控制技術(shù)有限責(zé)任公司，安徽合肥230031）

引 言

近年來，電子元器件功率不斷增加，且尺寸呈現(xiàn)緊湊化、微型化的發(fā)展趨勢(shì)，電子發(fā)熱的熱通量數(shù)量級(jí)不斷提升[1]，若不將大量熱量及時(shí)散出，電子元件的工作溫度急劇上升，嚴(yán)重影響其工作性能[2]和可靠性[3-4]。隨著越來越多的電子器件被封裝在有限體積中[5]，可利用剩余空間越來越小，因此在小空間和高熱通量條件下高效冷卻已成為電子設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。由于微通道流動(dòng)沸騰換熱具有結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高、壁溫分布均勻性好等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，可以維持設(shè)備在較低溫度[8]，因此微通道換熱（圖1）已成為小空間內(nèi)電子散熱的主流技術(shù)，并廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、航空航天、核能、汽車等領(lǐng)域[9]。

圖1 微通道換熱工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of heat transfer of microchannel

臨界熱通量（critical heat flux，CHF）是微通道流動(dòng)沸騰換熱的限制參數(shù)之一，當(dāng)熱通量大于CHF時(shí)，微通道換熱性能迅速惡化，導(dǎo)致微通道壁面溫度急劇上升，造成換熱設(shè)備燒毀和電子器件發(fā)生故障。隨著電子技術(shù)發(fā)展，電子熱通量越來越大，因此CHF 的機(jī)理分析、預(yù)測(cè)方法和提升技術(shù)一直是微通道領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，通過研究微通道CHF，不僅對(duì)于電子設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有重要意義，也有利于深入理解微通道流動(dòng)沸騰換熱特點(diǎn)。

針對(duì)微通道流動(dòng)沸騰的研究現(xiàn)狀，已有研究人員開展了綜述，主要內(nèi)容集中在換熱、壓降特性及預(yù)測(cè)方法[9-10]、通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及換熱強(qiáng)化[11-12]、流動(dòng)不穩(wěn)定性[13-14]等方面，上述綜述為微通道的設(shè)計(jì)開發(fā)、性能提升、穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要借鑒。CHF 是影響微通道性能的重要參數(shù)之一，微通道CHF 的形成原因與特征較為復(fù)雜，微通道CHF 的影響因素和預(yù)測(cè)方法眾多，提升CHF 的技術(shù)類型各異，然而目前微通道CHF 研究在理論、預(yù)測(cè)、技術(shù)等方面缺少全面系統(tǒng)的梳理，為此，本文對(duì)微通道CHF 進(jìn)行專業(yè)性綜述，詳細(xì)闡述微通道CHF 的形成機(jī)理、演變機(jī)制和變化規(guī)律，總結(jié)微通道CHF 的觸發(fā)機(jī)制和顯著特征，分析工況參數(shù)、通道尺寸對(duì)微通道CHF 的影響機(jī)理，介紹微通道CHF 的預(yù)測(cè)模型，整理微通道CHF 實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，詳述微通道CHF 提升的各類技術(shù)和原理，并探討學(xué)術(shù)界觀點(diǎn)差異和未來工作展望，為微通道在高熱通量條件下研究、開發(fā)和應(yīng)用提供借鑒。

1 微通道CHF形成機(jī)理

CHF 是換熱設(shè)備所能允許的最大熱流量，針對(duì)微通道CHF 形成機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均開展了深入研究。周繼軍等[15]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大量過熱蒸汽出現(xiàn)并在微通道內(nèi)形成蒸汽阻塞是CHF 的誘發(fā)機(jī)制。Mishima 等[16]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氣泡不斷在加熱壁面聚集和堆積，阻礙液體與壁面接觸，抑制了熱量傳遞，指出氣泡擁堵是臨界狀況發(fā)生的主導(dǎo)機(jī)制。Chen 等[17]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較大蒸汽團(tuán)貼附在壁面處，導(dǎo)致通道出口處干涸，并指出微液層蒸干是臨界熱通量的觸發(fā)機(jī)制。Martin-Callizo 等[18]通過實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了液膜消失導(dǎo)致臨界狀況發(fā)生，指出微液層蒸干是臨界熱通量的發(fā)生機(jī)制。

當(dāng)熱通量達(dá)到或超過臨界值時(shí)，微通道壁面液膜會(huì)出現(xiàn)蒸干現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在氣泡附著在通道壁面處，使得液體難以及時(shí)補(bǔ)充壁面，造成壁面干涸[圖2(a)]。當(dāng)液膜厚度較大時(shí)，由于蒸汽生成速度變快，蒸汽剪切力克服了表面張力，使得部分液膜離開壁面，同時(shí)壁面處形成液膜波浪，在波浪之間形成干涸點(diǎn)[圖2(b)]，在上述機(jī)理觸發(fā)下，阻礙了壁面與液體的熱量傳遞，沸騰傳熱系數(shù)迅速下降，造成微通道壁面溫度突升，嚴(yán)重影響換熱安全性。

圖3 展示了CHF 出現(xiàn)的演變過程：當(dāng)熱通量較小時(shí)，環(huán)狀流液膜厚度較大[圖3(a)]，當(dāng)增加熱通量后，液膜厚度減小[圖3(b)]，當(dāng)熱通量達(dá)到CHF時(shí)，壁面出現(xiàn)干斑[圖3(c)右上方壁面處]，造成傳熱惡化，如果此時(shí)繼續(xù)增加熱通量，更多的干斑會(huì)出現(xiàn)并連成一片，導(dǎo)致壁面溫度急劇上升。

圖2 CHF狀態(tài)下壁面干涸產(chǎn)生機(jī)制原理圖[19]Fig.2 Mechanism principle diagram of wall drying out at CHF condition[19]

圖3 微通道CHF出現(xiàn)的演變過程圖像[20]Fig.3 Image of CHF evolution process of microchannel[20]

當(dāng)熱通量達(dá)到CHF 狀態(tài)時(shí)，除了壁面會(huì)產(chǎn)生干涸外，蒸汽還易聚合成大氣泡，一方面，對(duì)流動(dòng)造成阻塞，另一方面，易發(fā)生回流現(xiàn)象[21]，如蒸汽返回到微通道入口處（圖4），在CHF 狀態(tài)下，液膜也易被擊碎成大量液滴并進(jìn)入主流中，造成通道內(nèi)主流流速發(fā)生大范圍振蕩，上述機(jī)制易造成通道進(jìn)出口壓降突升或劇烈波動(dòng)等流動(dòng)不穩(wěn)定性問題，一方面，流動(dòng)不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致CHF 提前出現(xiàn)，另一方面，通道內(nèi)壓力波動(dòng)對(duì)整個(gè)散熱冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行也會(huì)造成嚴(yán)重影響。

圖4 臨界狀態(tài)下微通道入口處蒸汽回流圖像[22]Fig.4 Image of vapor backflow at microchannel inlet at CHF condition[22]

2 微通道CHF影響因素分析

由于CHF 現(xiàn)象對(duì)微通道換熱的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有重要影響，因此需要對(duì)微通道CHF 的影響因素開展研究。已有文獻(xiàn)表明，工況參數(shù)（質(zhì)量流速、飽和壓力、入口過冷度）和通道尺寸對(duì)微通道CHF 具有不同程度的影響，本文將針對(duì)上述各因素對(duì)CHF的影響機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)闡述。

2.1 質(zhì)量流速

在臨界熱通量條件下，微通道內(nèi)含汽率較高，工質(zhì)流速對(duì)臨界熱通量的影響最明顯[23]。由文獻(xiàn)[24-26]可知，工質(zhì)在發(fā)生CHF 現(xiàn)象的流型主要是靠近出口處的環(huán)狀流，當(dāng)質(zhì)量流速增加時(shí)，微通道CHF明顯上升[25,27]，其原因是：（1）增加了環(huán)狀流液膜的厚度，對(duì)于壁面氣泡底部形成的蒸干斑點(diǎn)，提高了液體再濕潤(rùn)能力，工質(zhì)流經(jīng)微通道時(shí)吸收熱量也會(huì)增多；（2）氣泡受到液相的曳力作用增大，氣泡更易脫離加熱壁面，且氣泡脫落直徑變小[28]，起到了抑制氣泡長(zhǎng)大、聚集與阻塞的作用，必然會(huì)提高通道CHF[29]。當(dāng)質(zhì)量流速較小時(shí)，由于CHF 受到流速限制較大，因此增大流速后CHF 增加幅度顯著；當(dāng)質(zhì)量流速較大時(shí)，CHF 受到流速限制較小，若想大幅提高CHF需從其他途徑改進(jìn)。

2.2 工質(zhì)飽和壓力

文獻(xiàn)[21,30]表明，當(dāng)液氣密度比ρL/ρV減小后，氣泡脫離壁面的難度減小，有利于提高CHF；當(dāng)表面張力σ 減小后，氣泡生成頻率加快，氣泡數(shù)量增多，氣泡更容易在壁面處聚集，導(dǎo)致CHF 下降；當(dāng)汽化潛熱hLV減小后，蒸發(fā)所需熱量與熱通量下降，CHF 也會(huì)下降。因此，飽和壓力對(duì)CHF 的影響根源在于不同壓力下工質(zhì)物性參數(shù)的改變。

文獻(xiàn)[20]指出，隨著飽和壓力的增加，液氣密度比ρL/ρV、表面張力σ 和汽化潛熱hLV均減小，ρL/ρV減小有利于CHF 提升，而表面張力σ 和汽化潛熱hLV減小會(huì)導(dǎo)致CHF 降低，上述兩種相反的作用往往會(huì)造成CHF 呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，因此，在一定的工況條件下，存在一個(gè)飽和壓力值，使得CHF 達(dá)到最高。

2.3 入口過冷度

入口過冷度是工質(zhì)飽和溫度與通道入口溫度的差值。文獻(xiàn)[31-32]研究表明，入口過冷度對(duì)CHF 的影響很小，其原因是工質(zhì)從過冷狀態(tài)到飽和狀態(tài)所吸收的顯熱，相比于沸騰蒸發(fā)所吸收的潛熱非常小，所以入口過冷度對(duì)CHF 的提升影響可以忽略[23,33-34]。然而，宋保銀等[35-37]在研究重力場(chǎng)、加熱方位、過載等對(duì)CHF 的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在高過冷度下，需要大量的熱負(fù)荷才能使臨界換熱現(xiàn)象發(fā)生，這會(huì)導(dǎo)致CHF 增加明顯，Lee 等[24]也指出，在高過冷度的情況下，氣泡脫離直徑和空隙率減小，有利于CHF 的顯著提升。

針對(duì)入口過冷度對(duì)微通道CHF 的影響程度，學(xué)術(shù)界觀點(diǎn)存在差異，為深入研究入口過冷度的影響，需基于不同的過冷度大小、工況參數(shù)、重力、加熱方位、工質(zhì)物性、通道尺寸等開展研究，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從多參數(shù)的綜合影響角度，揭示入口過冷度對(duì)微通道CHF的影響機(jī)制。

2.4 通道尺寸

通道尺寸主要指截面尺寸和通道長(zhǎng)度，均對(duì)微通道CHF 產(chǎn)生影響。對(duì)于截面為圓形的微通道，Wojtan 等[23]發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)工況一定的條件下，內(nèi)徑為0.8 mm 的微通道CHF 始終大于內(nèi)徑為0.5 mm 的微通道；Qi等[38]也指出，CHF隨內(nèi)徑的增加而呈增加的趨勢(shì)。對(duì)于截面為矩形的微通道，隨著通道寬度或高度的增加，微通道CHF 均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)[39]。造成上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)截面尺寸很小時(shí)，氣泡生長(zhǎng)受限，迫使氣泡沿流動(dòng)方向生長(zhǎng)，形成許多長(zhǎng)扁形的氣泡，使得液膜拉長(zhǎng)、變薄、與壁面的接觸面積增大，液膜容易迅速蒸干，若熱通量過大，微通道內(nèi)氣泡的聚集程度變大，大量氣泡阻礙液體的流動(dòng)，且壁面難以及時(shí)得到液體補(bǔ)充，導(dǎo)致壁面出現(xiàn)局部蒸干和傳熱惡化；當(dāng)截面尺寸增加時(shí)，流體流動(dòng)的穩(wěn)定性提升[40]，允許通過的氣泡直徑增加，氣泡從壁面脫離速度提高[29]，且壁面能及時(shí)得到液體補(bǔ)充，防止壁面干涸。

除了截面尺寸，通道長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)微通道CHF 產(chǎn)生影響，文獻(xiàn)[21,23]表明，微通道加熱長(zhǎng)度增加，會(huì)導(dǎo)致CHF 減少，由于通道內(nèi)易發(fā)生CHF 現(xiàn)象的流型為環(huán)狀流，隨著加熱長(zhǎng)度增加，環(huán)狀流液膜厚度不斷降低（圖5），易造成環(huán)狀流液膜的蒸干，文獻(xiàn)[23,41]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，當(dāng)微通道截面尺寸一定時(shí)，隨著通道長(zhǎng)度的增加，CHF的降低幅度會(huì)越來越小。

圖5 環(huán)狀流液膜厚度隨微通道長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)[19]Fig.5 Liquid film thickness change of annular flow with microchannel length[19]

3 微通道CHF預(yù)測(cè)模型

3.1 數(shù)學(xué)模型

CHF 預(yù)測(cè)模型可以為微通道在研發(fā)階段提供計(jì)算依據(jù)，對(duì)于換熱設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行具有指導(dǎo)作用。很多學(xué)者立足于CHF 觸發(fā)機(jī)制，理論推導(dǎo)出CHF 預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型。Revellin 等[19]基于有限體積和四階Runge-Kutta 法求解質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程，建立了制冷劑在加熱的圓形微通道中環(huán)狀流的CHF 理論模型，目標(biāo)是求解沿著一維流動(dòng)方向微元體積中蒸汽區(qū)域直徑rV，若存在rV等于管內(nèi)徑，即認(rèn)為液膜蒸干且CHF 狀態(tài)達(dá)到，采用不同制冷劑數(shù)據(jù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，超過96%的數(shù)據(jù)被預(yù)測(cè)在±20%的誤差范圍內(nèi)，平均絕對(duì)誤差為8%。

表1 微通道CHF預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型Table 1 Mathematic prediction models for microchannel CHF

Ko?ar[42]基于質(zhì)量方程推導(dǎo)了CHF 計(jì)算公式和方程組，通過實(shí)驗(yàn)得出微槽中凝結(jié)質(zhì)量傳質(zhì)系數(shù)kd，再將各個(gè)已知量參數(shù)代入方程求解CHF；羅小平等基于文獻(xiàn)[42]的思路，推導(dǎo)了一個(gè)在出口處臨界熱通量的CHF 計(jì)算公式，通過求解一元二次方程獲得CHF值[43]，該方法的適用范圍廣，預(yù)測(cè)誤差在25%以內(nèi)，此外，還針對(duì)文獻(xiàn)[42]方法不足之處，提出了預(yù)測(cè)微小槽道CHF 公式[44]，預(yù)測(cè)誤差在20%以內(nèi)。上述數(shù)學(xué)模型見表1。

3.2 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

基于理論推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型可以直接體現(xiàn)CHF的形成機(jī)理，且準(zhǔn)確度較高，但是也存在建模困難、數(shù)學(xué)求解復(fù)雜等問題，為此，更多學(xué)者立足于CHF實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了許多微小通道流動(dòng)沸騰CHF 實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。

圖6所示為微通道流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)中確定CHF點(diǎn)的主要方法，在一定的工況參數(shù)條件下，不斷提升壁面的熱通量，觀察壁面溫度或其與工質(zhì)飽和溫度之差（稱為壁面過熱度），當(dāng)熱通量達(dá)到CHF 點(diǎn)時(shí)，壁面溫度或過熱度存在急劇上升現(xiàn)象（如圖6 中虛線所示），因此對(duì)應(yīng)的熱通量值即為CHF。通過上述方法收集大量CHF 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。

圖6 微通道CHF判斷準(zhǔn)則[45]Fig.6 Judge criterion of microchannel CHF[45]

周繼軍等[15]基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了臨界熱通量關(guān)聯(lián)式，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值比，多數(shù)點(diǎn)的誤差小于10%，最大誤差為17%。

Qu 等[21]測(cè)量了水冷卻的矩形微通道流動(dòng)沸騰CHF，達(dá)到臨界熱通量時(shí)，通道內(nèi)壓力波動(dòng)劇烈，水蒸氣回流，提出了CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，總體平均絕對(duì)誤差達(dá)到了4%。

Ko?ar 等對(duì)微通道流動(dòng)沸騰開展研究，在已有CHF 關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上，提出了新的關(guān)聯(lián)式，預(yù)測(cè)誤差在7.4%左右[30]；他們還研究了基于制冷劑R-123的微通道CHF，提出了新的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，該關(guān)聯(lián)式的總平均絕對(duì)誤差為3.8%[20]。

Wojtan 等[23]開展了微通道CHF 實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試制冷劑為R-134a 和R-245fa，指出Qu 等[21]的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式高估了CHF，為此開發(fā)了新的CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，平均絕對(duì)誤差為7.6%，82.4%的數(shù)據(jù)在±15.0%的范圍內(nèi)。

Qi 等[38]研究了液氮在微管內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱的CHF，將Katto 關(guān)聯(lián)式[46]與Zhang 關(guān)聯(lián)式[47]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，上述兩個(gè)關(guān)聯(lián)式的誤差較大，在Katto關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上提出了新的CHF關(guān)聯(lián)式，總體平均絕對(duì)誤差為7.38%。

Ong 等[45]開展了微通道流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明飽和溫度、質(zhì)量速度等因素對(duì)CHF 產(chǎn)生具有影響，而入口過冷度無影響，在Wojtan 關(guān)聯(lián)式[23]的基礎(chǔ)上，提出了新的CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，針對(duì)制冷劑R134a、R236fa 和R245fa 能很好地預(yù)測(cè)。

Basu 等[48]開展微管內(nèi)R134a 流動(dòng)沸騰CHF 研究，指出存在一個(gè)最佳管徑使得CHF 達(dá)到最大值，當(dāng)大于該管徑，CHF 幾乎不受影響。同時(shí)基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了一個(gè)新的預(yù)測(cè)CHF 模型，誤差在10%左右。

Chen 等[17]以去離子水、R113 以及FC77 為工質(zhì)，開展60 個(gè)平行微通道的流動(dòng)沸騰CHF 研究，認(rèn)為流動(dòng)逆轉(zhuǎn)造成的通道阻塞是CHF 形成的原因，并且提出了一個(gè)新的CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。

Wu等[49]指出CHF通常出現(xiàn)在通道的出口處，因此出口干度對(duì)CHF 有重要影響，通過收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開發(fā)新的CHF 關(guān)聯(lián)式，涵蓋多種鹵化制冷劑、氮?dú)夂退?，?7.0%的非水?dāng)?shù)據(jù)和94.0%的水?dāng)?shù)據(jù)在±30%的誤差范圍內(nèi)。

Tanaka 等[41]充分考慮了加熱長(zhǎng)度對(duì)窄矩形通道的影響，提出了新的CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，該式適用于更大范圍的加熱長(zhǎng)度，通過對(duì)比Wojtan 等[23]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)誤差在±40%以內(nèi)。

Park 等[34]針對(duì)微通道熱沉開展了CHF 實(shí)驗(yàn)研究，制冷劑為R134a、R236fa、R245fa，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與已有文獻(xiàn)的多個(gè)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行比較，結(jié)果表明，Katto 等[50]、Wojtan 等[23]、Revellin 等[19]的 預(yù) 測(cè) 模 型 與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好。

Agostini 等[51]針對(duì)微通道熱沉開展飽和沸騰條件下的CHF 實(shí)驗(yàn)研究，制冷劑為R236f，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與已有文獻(xiàn)的多個(gè)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行比較，結(jié)果表明，Wojtan 等[23]和Revellin 等[19]的預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度最好，100%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在±20%誤差范圍內(nèi)，總平均絕對(duì)誤差均為10.1%。

針對(duì)超重力環(huán)境，張釗[52]基于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)模擬飛機(jī)過載條件，分析了側(cè)載、逆載對(duì)微通道CHF 的影響，在Qu 公式[21]的基礎(chǔ)上，擬合了側(cè)載、逆載下微通道CHF預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，相對(duì)誤差均低于20%。

從目前公開的CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式看，關(guān)聯(lián)式的函數(shù)形式與工質(zhì)的表面張力、氣液密度比、汽化潛熱等物性參數(shù)緊密聯(lián)系，關(guān)聯(lián)式也會(huì)以工質(zhì)的物性參數(shù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行開發(fā)，因此開發(fā)工質(zhì)與使用工質(zhì)物性差異較大時(shí)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。以電子冷卻液和制冷劑為代表的工質(zhì)和水相比表面張力要小，且在氣液密度比、汽化潛熱等方面也有較大差異，已有研究人員基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)不同關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)基于工質(zhì)水開發(fā)的關(guān)聯(lián)式用于制冷劑等工質(zhì)的預(yù)測(cè)誤差均較大，而基于制冷劑等工質(zhì)開發(fā)的關(guān)聯(lián)式更適合于制冷劑的CHF 預(yù)測(cè)，因此，在預(yù)測(cè)微通道CHF 時(shí)，還需要結(jié)合實(shí)際使用的工質(zhì)來選擇關(guān)聯(lián)式。

納米流體（含納米顆粒的液體）對(duì)于提高流動(dòng)沸騰CHF 具有明顯作用，雖然基于納米流體的CHF預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式較少，但也取得了一定的進(jìn)展：Lee 等[24]開發(fā)了基于納米流體的微通道CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式；Vafaei 等[53]針對(duì)Lee 等[24]開發(fā)的關(guān)聯(lián)式系數(shù)進(jìn)行修正，進(jìn)一步降低了預(yù)測(cè)誤差；Wang 等[54]針對(duì)豎管開發(fā)了納米流體CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式；DolatiAsl 等[55]充分考慮了納米顆粒物性、體積分?jǐn)?shù)等因素，提出了四種CHF 關(guān)聯(lián)式，并與微通道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)其中一種關(guān)聯(lián)式的預(yù)測(cè)誤差最小，他們還指出，質(zhì)量流速和通道長(zhǎng)度對(duì)CHF 具有重要影響，納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)和熱導(dǎo)率對(duì)CHF的影響最小。

表2 展示了已公開的微通道CHF 預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，其中部分物理量計(jì)算公式如下：

表2 微通道CHF實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式Table 2 Experimental prediction correlations for microchannel CHF

若微通道截面為圓形，則加熱當(dāng)量直徑De為圓直徑，若截面為矩形，則加熱當(dāng)量直徑De為：

式(3)中微通道尺寸含義如圖7所示。

圖7 矩形微通道單元的截面示意圖Fig.7 Schematic diagram of section of rectangular microchannel unit

目前，研究人員針對(duì)微通道CHF 開發(fā)了許多實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式（表2），對(duì)微通道設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用，然而仍存在不足需進(jìn)一步完善。

（1）傳統(tǒng)制冷劑由于破壞臭氧層和溫室效應(yīng)，正被加快淘汰，一些新型環(huán)保制冷劑（如R290、R32、HFO 系列工質(zhì)等）不斷涌現(xiàn)，R290、R32、HFO工質(zhì)已經(jīng)應(yīng)用于微通道沸騰換熱[56-58]，然而目前針對(duì)新型環(huán)保制冷劑的微通道CHF 預(yù)測(cè)研究仍缺乏，一方面，可以基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)已公開的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行誤差分析，選擇準(zhǔn)確性高的關(guān)聯(lián)式，或者對(duì)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行修正，另一方面，基于具體工質(zhì)類型，重新開發(fā)新的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。

（2）基于水的納米流體CHF 關(guān)聯(lián)式開發(fā)不乏案例，但是基于制冷劑、電子冷卻液等工質(zhì)的納米流體CHF 預(yù)測(cè)研究還很缺乏，一方面，應(yīng)首先驗(yàn)證納米顆粒對(duì)于制冷劑、電子冷卻液等工質(zhì)的CHF 提升效果；另一方面，在CHF 有效提升的情況下，再基于納米顆粒的種類、物性參數(shù)、體積分?jǐn)?shù)（或濃度）等因素開發(fā)關(guān)聯(lián)式。

（3）非共沸混合工質(zhì)的Marangoni效應(yīng)能有效提高沸騰CHF，然而基于非共沸混合工質(zhì)的微通道CHF 預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式缺乏，需要開展相應(yīng)研究工作，其中，工質(zhì)種類、組分、濃度在關(guān)聯(lián)式開發(fā)中需綜合考慮。

4 微通道CHF提升技術(shù)與原理

基于微通道CHF 的形成機(jī)理與特點(diǎn)，研究人員以工質(zhì)及換熱壁面改性、通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)為研究方向，開展了大量工作。微通道CHF 提升機(jī)理主要在于兩個(gè)方面：①增加氣泡成核位點(diǎn)與脫離速度，減小氣泡尺寸，使氣泡不易在壁面形成氣膜，抑制氣泡聯(lián)合成大氣泡，促進(jìn)氣泡流動(dòng)與脫離，防止阻塞；②增加液相層厚度，促進(jìn)液相向蒸干壁面擴(kuò)散與濕潤(rùn)，改善壁面的潤(rùn)濕性。通過上述機(jī)理的實(shí)現(xiàn)，顯著提升微通道CHF。

4.1 工質(zhì)改性

4.1.1 納米流體 納米流體由懸浮在液體中分散的納米顆粒組成，納米材料的加入可以明顯改善工質(zhì)流動(dòng)的換熱性能，提高壁面?zhèn)鳠崴健?/p>

羅小平等[44,59]將Al2O3納米顆粒加入水中制作納米流體，并開展微通道換熱實(shí)驗(yàn)分析，指出納米顆粒的加入可增大流體導(dǎo)熱性和擾動(dòng)性，使氣泡不易在壁面形成氣膜，因此可以顯著提高CHF，還指出壁面粗糙度增大有利于納米流體CHF 提升，但是也會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定性增大。

Vafaei等[60-61]指出，納米流體改變微通道CHF的因素在于兩點(diǎn)：①納米顆粒沉積改變了加熱表面特性，包括改變壁面濕潤(rùn)性、增加氣泡成核點(diǎn)、阻礙氣泡下方的干涸擴(kuò)散等；②懸浮在液體的納米顆粒改變了氣泡動(dòng)力學(xué)特性，包括減小氣泡生成過程的接觸角、減小氣泡脫離尺寸、增加氣泡脫離速度等。他們指出，過大顆粒濃度的納米流體CHF 反而不如適當(dāng)增加顆粒濃度的納米流體CHF，基于微通道CHF 的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在納米顆粒濃度很低（0.1%）的情況下，CHF 提升了51%；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過電鏡掃描觀察了納米顆粒在微通道表面的沉積（圖8），認(rèn)為通道出口處的表面溫度更高，導(dǎo)致出口處的沉積厚度與顆粒尺寸均大于入口處，由于沉積厚度相對(duì)于通道的水力直徑非常小，因此沉積厚度對(duì)流動(dòng)影響可以忽略。

圖8 微通道入口處(a)、出口處(b)的納米顆粒沉積SEM圖像[60]Fig.8 SEM images of nano-particles deposition on surfaces at inlet(a)and outlet(b)of microchannel[60]

Wang 等[54]對(duì)納米流體在垂直管內(nèi)流動(dòng)沸騰CHF 進(jìn)行了研究，通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)了納米顆粒在加熱表面的沉積，顆粒沉積提升了液相層的黏附性和厚度，有利于CHF 的提高，研究發(fā)現(xiàn)入口過冷度和納米顆粒濃度對(duì)CHF 無影響；Paul 等[62]研究了向上通過垂直管的納米流體CHF，指出納米顆粒在加熱表面的沉積提升了CHF，改善了壁面的潤(rùn)濕性，認(rèn)為納米顆粒濃度對(duì)液體濕潤(rùn)性具有影響，由此可見，針對(duì)納米顆粒濃度對(duì)CHF 的影響程度，兩種觀點(diǎn)存在不同。

為研究納米顆粒沉積對(duì)表面濕潤(rùn)性的影響，Morshed 等[63]將Al2O3納米顆粒直接涂覆在銅表面，開展液滴靜態(tài)接觸角研究。如圖9 所示，在裸銅表面，液滴靜態(tài)接觸角接近100°，在涂覆有納米顆粒的銅表面，液滴靜態(tài)接觸角約為57°，靜態(tài)接觸角越小即濕潤(rùn)性越好，圖9表明，納米顆粒沉積可以大幅提升表面濕潤(rùn)性。

圖9 不同銅表面的液滴靜態(tài)接觸角[63]Fig.9 Static contact angles of liquid drops on different surfaces of copper[63]

以上研究表明，納米流體不僅具有更好的熱物理性質(zhì)，而且納米顆粒沉積增加了加熱表面濕潤(rùn)性，使得沸騰換熱的CHF 得到顯著提升。目前，研究人員主要將水作為基本流體開展納米流體CHF分析，基于制冷劑或電子冷卻液的納米流體研究缺乏，由于制冷劑等工質(zhì)的表面張力較低，且其他物性參數(shù)也均具有較大差異，因此還需要驗(yàn)證納米顆粒對(duì)制冷劑和電子冷卻液CHF 的提升效果，總結(jié)微通道CHF 的影響因素；此外，針對(duì)納米顆粒濃度對(duì)流動(dòng)沸騰CHF 的影響，目前學(xué)術(shù)界觀點(diǎn)存在差異，因此仍需綜合考慮工況參數(shù)、流動(dòng)方向、納米顆粒屬性、通道尺寸等因素開展深入研究，對(duì)比分析不同因素下CHF 的提升效果與差異，揭示納米顆粒濃度的影響機(jī)理。

4.1.2 非共沸混合工質(zhì) 非共沸混合工質(zhì)沒有共沸點(diǎn)，各組分按各自的沸點(diǎn)發(fā)生相變，沸點(diǎn)低的組分優(yōu)先沸騰，這會(huì)導(dǎo)致組分的濃度梯度與表面張力梯度變化，上述機(jī)制引起液體額外的驅(qū)動(dòng)力（即Marangoni 效應(yīng)），Marangoni 效應(yīng)可以驅(qū)使液體自發(fā)地向高溫區(qū)域流動(dòng)，起到濕潤(rùn)蒸干壁面的作用，此時(shí)的非共沸混合工質(zhì)被視為“自濕潤(rùn)流體[64]”，可以有效延遲甚至避免工質(zhì)干涸或燒干現(xiàn)象[65]。

Li等[66]指出表面張力隨溫度變化而產(chǎn)生的熱毛細(xì)力驅(qū)使液體遠(yuǎn)離熱區(qū)，然而，可以設(shè)計(jì)出一種揮發(fā)性的二元流體混合物，使溶液毛細(xì)力隨著濃度的變化而變化，從而將液體驅(qū)向高溫區(qū)域，以對(duì)抗熱毛細(xì)力，他們可視化研究了Marangoni 流動(dòng)（圖10），發(fā)現(xiàn)在一定的組分濃度范圍內(nèi)，溶液毛細(xì)作用十分明顯，驅(qū)使液相工質(zhì)從氣液界面處向加熱區(qū)域流動(dòng)，顯著減少了干涸現(xiàn)象的發(fā)生。

Lin 等[67]研究了甲醇/水溶液在微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰特性，指出混合工質(zhì)的組分配比對(duì)其沸騰傳熱系數(shù)以及CHF 均有明顯影響，圖11 為甲醇/水混合物的Marangoni數(shù)隨甲醇摩爾分?jǐn)?shù)xm的變化趨勢(shì)[68]：

圖10 Marangoni對(duì)流流線圖像[66]Fig.10 Image of Marangoni convection line[66]

Ma 體現(xiàn)Marangoni 效應(yīng)，即液體補(bǔ)充到壁面的程度，Ma 越大，壁面濕潤(rùn)性越大，CHF 也就越大。圖11 表明，在xm較小時(shí)，隨著xm的增加，Ma 迅速增加，當(dāng)xm=0.3 時(shí)達(dá)到最大，若繼續(xù)增加xm，Ma 開始下降，相應(yīng)地，CHF 在相同工況下隨著易揮發(fā)組分濃度的增大呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。

圖11 Marangoni數(shù)和液體表面張力隨甲醇摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)[67]Fig11 Marangoni number and liquid surface tension as a function of methanol molar fraction [67]

Fu 等[69]對(duì)乙醇/水混合物在微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰換熱開展了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明乙醇摩爾分?jǐn)?shù)xm和質(zhì)量流速對(duì)沸騰換熱和CHF 有顯著影響，由于Marangoni 效應(yīng)，最大CHF 在xm=0.1 處達(dá)到，表明少量的乙醇添加到水中就可以顯著增加CHF，另外，在給定的摩爾分?jǐn)?shù)為0.1 時(shí)，CHF 隨質(zhì)量流速的增加而增加。

雖然非共沸混合工質(zhì)對(duì)于提升沸騰換熱的CHF 有顯著效果，但是同樣會(huì)對(duì)傳熱系數(shù)造成負(fù)面影響，已有研究表明，非共沸混合工質(zhì)會(huì)減弱沸騰換熱效果[70]，基于非共沸混合工質(zhì)的流動(dòng)沸騰傳熱系數(shù)小于純組分工質(zhì)[71]，因此在提升CHF的同時(shí)，改善非共沸混合工質(zhì)的沸騰傳熱系數(shù)是今后的研究重點(diǎn)。

4.2 換熱壁面改性

4.2.1 多孔結(jié)構(gòu)涂層 基于化學(xué)沉積、燒結(jié)、微納米顆粒涂覆等手段，在傳熱面上制備多孔結(jié)構(gòu)或涂層，已成為增強(qiáng)沸騰換熱性能的常用方法，該方法提高了流動(dòng)穩(wěn)定性與液相濕潤(rùn)能力，可以明顯提升CHF[72]。

Wang 等[73]制備多孔蜂窩表面，開展流動(dòng)沸騰實(shí)驗(yàn)，與光滑表面相比，蜂窩表面的多孔特性對(duì)于壁面具有更好的供水能力，因此可以顯著提升CHF。Yang 等[74]在硅基微通道表面制作硅納米線涂層（圖12），相比無涂層，硅納米線涂層提升了毛細(xì)力，增強(qiáng)了液相濕潤(rùn)能力，實(shí)現(xiàn)通道CHF 的增加，但是當(dāng)質(zhì)量流速很高時(shí)，CHF 會(huì)減少，他們指出應(yīng)當(dāng)探索工況參數(shù)的優(yōu)化范圍，以充分發(fā)揮硅納米線的CHF提升作用。

圖12 硅納米線涂層SEM圖像[74]Fig.12 SEM image of silicon nanowire coating[74]

Byon等[75]基于球形銅顆粒制備了一種多孔燒結(jié)涂層（圖13），通過CHF 研究發(fā)現(xiàn)，基于多孔涂層的工質(zhì)流動(dòng)沸騰具有良好的穩(wěn)定性，可顯著提高CHF，CHF主要取決于顆粒尺寸和聚簇尺寸，與涂層厚度無關(guān)。

圖13 基于球形銅顆粒的多孔燒結(jié)涂層SEM圖像[75]Fig.13 SEM image of porous sintering coating based on spherical copper particle[75]

Jaikumar 等[76]研究了沉積多孔涂層表面，開展了微通道換熱研究，指出多孔涂層增加了換熱面積、促進(jìn)了成核現(xiàn)象、增強(qiáng)了液體流動(dòng)能力，在上述機(jī)制下，有效增加了傳熱系數(shù)和CHF，研究還發(fā)現(xiàn)，通道尺寸會(huì)影響多孔涂層對(duì)CHF的提升機(jī)制。

Morshed 等[77]采用電解沉淀技術(shù)在微通道表面制作Cu-Al2O3納米顆粒涂層(圖14)，與裸銅表面相比，涂層促進(jìn)了液體向干涸區(qū)域流動(dòng)，有利于濕潤(rùn)壁面，從而增加了CHF 值，但是納米涂層的傳熱系數(shù)略降低；Kumar 等[78]采用噴霧熱解法在微通道表面做ZnO-Al2O3涂層，與純ZnO 相比，ZnO-Al2O3涂層增加了有效換熱表面積，促進(jìn)了核態(tài)沸騰換熱，且提高了表面濕潤(rùn)性，從而提升了CHF。

上述研究表明，多孔結(jié)構(gòu)能夠增加換熱面積，增強(qiáng)液相毛細(xì)力，提高液相對(duì)壁面的濕潤(rùn)能力，從而促進(jìn)CHF 的提升。由于多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)CHF 具有重要影響，因此還需開展多孔結(jié)構(gòu)的定量化研究：在不同工況參數(shù)、通道尺寸的條件下，分析微通道CHF 隨多孔材料屬性、孔隙率、顆粒直徑與密度、納米線長(zhǎng)度、涂層厚度等參數(shù)的變化規(guī)律，研究不同參數(shù)下CHF 提升程度及差異，以此為基礎(chǔ)，提出工況參數(shù)、通道尺寸合理范圍，制定多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

4.2.2 微結(jié)構(gòu)表面 微結(jié)構(gòu)表面具有增加換熱面積和氣泡核化位點(diǎn)、提高加熱表面毛細(xì)吸力、促進(jìn)氣泡生成與脫離速度、延遲氣泡融合、提高液體重新濕潤(rùn)等能力，因此微結(jié)構(gòu)表面既能大幅改善沸騰換熱性能，也能顯著提升CHF和流動(dòng)穩(wěn)定性。

宇高義郎等[79]將兩種不同導(dǎo)熱性能的材料(銅和聚四氟乙烯)交替布置在靠近傳熱表面的傳熱板內(nèi)，開發(fā)非均勻?qū)嵝詡鳠岚?，該板?shí)現(xiàn)異態(tài)相干沸騰（即核態(tài)沸騰與膜態(tài)沸騰相鄰共存）模式，從而強(qiáng)化微通道傳熱、提升CHF，他們還指出入口流速與過冷度對(duì)CHF有明顯影響且趨勢(shì)相同。

圖14 裸銅表面與Cu-Al2O3涂層表面SEM圖像[77]Fig.14 SEM images of bare and Cu-Al2O3 coating surfaces of copper[77]

王迎慧等[80]開展了V 形凹槽對(duì)微通道流動(dòng)沸騰CHF 影響的數(shù)值模擬研究，凹槽結(jié)構(gòu)（槽深與開口寬度之比h/R）對(duì)CHF有明顯影響，隨著h/R的增加，CHF 呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，隨著凹槽數(shù)量增加，CHF 呈增加趨勢(shì)，為充分發(fā)揮CHF 提升效果，需采用適當(dāng)?shù)陌疾劢Y(jié)構(gòu)。Kuo等[81]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ω型凹槽結(jié)構(gòu)表面（圖15）促進(jìn)了氣泡成核，增加氣泡成核均勻性，抑制流動(dòng)沸騰過程中的壓力波動(dòng)，提高了微通道內(nèi)臨界熱通量，仿真模擬[82]也表明，沸騰機(jī)制強(qiáng)烈依賴于壁面條件，基于凹槽的微通道可以提高氣泡成核速度，提升CHF和流動(dòng)穩(wěn)定性。

圖15 Ω型凹槽微通道[81]Fig.15 Microchannel based on Ω-shaped grooves[81]

在微通道內(nèi)壁面處增加微柱結(jié)構(gòu)（圖16、圖17）是提升換熱性能和CHF 的有效途徑，其中，微柱截面形狀可以是圓形、菱形、方形、針形等。微柱結(jié)構(gòu)能夠增大有效傳熱面積以及流動(dòng)混亂度，微柱結(jié)構(gòu)存在的毛細(xì)吸引力均能及時(shí)向受熱面供給液體并且提供穩(wěn)定的氣泡成核位點(diǎn)[83]，還可以增加氣泡脫離速度、液膜厚度和表面濕潤(rùn)性[84]，因此微柱微通道的綜合性能要優(yōu)于光滑微通道[85]，已有研究表明，微柱結(jié)構(gòu)可以提高微通道兩相流穩(wěn)定性，并提供大量的穩(wěn)定成核位點(diǎn)，增加液體毛細(xì)力和潤(rùn)濕能力，阻礙局部干涸，從而提升微通道CHF[86]。

圖16 基于微柱的微通道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.16 Structure diagram of microchannel based on micro-cylinders

上述研究表明，微結(jié)構(gòu)表面對(duì)于提升微通道CHF 具有重要作用，由于微結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)CHF 具有重要影響，為充分發(fā)揮CHF 的提升效果，需研究CHF隨微結(jié)構(gòu)尺寸的變化規(guī)律，為各類微結(jié)構(gòu)表面的優(yōu)化設(shè)計(jì)建立理論依據(jù)，此外，目前的微結(jié)構(gòu)形狀、尺寸較為單一，隨著激光、刻蝕等精密加工技術(shù)的發(fā)展，為更多形式的微結(jié)構(gòu)制備創(chuàng)造了條件，微結(jié)構(gòu)還可以與多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合研究，為進(jìn)一步提升微通道CHF提供新思路。

圖17 基于微柱群的微通道實(shí)物圖[87]Fig.17 Picture of real microchannel based on micro-cylinders [87]

4.2.3 親/疏水性表面 基于復(fù)合法、沉積法、鑄造法、熱氧化、化學(xué)修飾等手段可以制備親/疏水性表面，親/疏水性的改變使得沸騰換熱特性產(chǎn)生顯著變化，直接影響到換熱性能和CHF，因此基于表面親疏水性的沸騰換熱獲得大量研究。

李蔚等[88-89]利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工序，在親水性的硅片上制備二氧化硅納米的超親水表面，其中，親水表面液滴的接觸角（contact angle，CA）為65°±3°，超親水表面液滴的接觸角＜5°，因此超親水表面的潤(rùn)濕性更好，并開展了微細(xì)通道流動(dòng)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明超親水表面可以延緩局部干涸和CHF發(fā)生。

Kim 等[90]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在低質(zhì)量流速下，親水性微通道的表面濕潤(rùn)性更好，因此其CHF 要高于疏水性微通道，然而在高質(zhì)量流速下，慣性力足夠大，使得氣泡滑動(dòng)速度、壁面換熱性能均很高，導(dǎo)致疏水性微通道反而更能提升CHF。

從目前的研究來看，親、疏水性表面對(duì)CHF 和沸騰換熱特性的影響機(jī)理較為復(fù)雜，總體而言，疏水性表面親氣疏水，其表面可以產(chǎn)生大量氣泡，增強(qiáng)沸騰效果，提高傳熱系數(shù)，但氣泡易堆積、脫離速度慢，導(dǎo)致CHF 提前到達(dá)；親水性表面親水疏氣，其表面氣泡生成少、易脫離，且液體潤(rùn)濕能力強(qiáng)，推遲了CHF，但傳熱系數(shù)小。

針對(duì)親/疏水性表面研究的下一步工作，一方面，需綜合考慮工況參數(shù)、工質(zhì)種類與物性等因素，深入分析不同因素下親/疏水性表面與微通道CHF的關(guān)聯(lián)性、影響程度及變化趨勢(shì)，揭示親/疏水性表面對(duì)微通道CHF 的影響機(jī)理;另一方面，將親、疏水性相結(jié)合，組合制備新型換熱表面，已成為研究人員的關(guān)注重點(diǎn)[91-92]，因此如何制備均具有親、疏水性的混合表面，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)也是今后的研究重點(diǎn)。

4.3 通道結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.3.1 通道連通 微通道換熱器通常由多個(gè)平行的通道并聯(lián)組成，在常規(guī)的封閉并聯(lián)微通道中，中間部分的流道流量往往要高于邊緣流道流量，由于通道之間的流量分布不均，造成氣泡對(duì)流動(dòng)阻塞以及各并聯(lián)通道之間換熱過程的不同步，易導(dǎo)致并聯(lián)通道之間存在壓差、中間流道不易沸騰和邊緣流道的燒干、氣泡增長(zhǎng)過快、阻塞、壓力劇增等問題，上述機(jī)制都會(huì)造成CHF 提前出現(xiàn)，因此可以在相鄰?fù)ǖ乐g開通輔助流道、微縫等結(jié)構(gòu)，使得并聯(lián)通道之間實(shí)現(xiàn)連通，將流體均勻分流，提高各通道之間的壓力、流量均勻性，有效延緩CHF 出現(xiàn)，此外，工質(zhì)在流入相鄰?fù)ǖ狼胰诤虾螅€會(huì)擾動(dòng)流場(chǎng)，破壞近壁面的邊界層，增強(qiáng)換熱性能。

Prajapati 等[93-95]分別設(shè)計(jì)了三種微通道結(jié)構(gòu)：等截面通道、漸擴(kuò)型截面通道、連通通道（圖18），通過在等截面通道之間開通輔助流道，實(shí)現(xiàn)相鄰?fù)ǖ赖倪B通，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微通道綜合性能從高到低依次為：連通通道、漸擴(kuò)型截面通道、等截面通道。

相比于等截面通道，漸擴(kuò)型截面通道可以對(duì)段塞流中氣泡進(jìn)行調(diào)節(jié)，段塞流（一段液體、一段接近管徑的大氣泡）通常是微通道內(nèi)環(huán)狀流之前的主要流動(dòng)結(jié)構(gòu)，若沿著流動(dòng)方向的通道截面尺寸逐漸增加，則有利于氣泡生長(zhǎng)聚合，促進(jìn)氣泡向通道出口流動(dòng)，緩減下游通道內(nèi)氣泡對(duì)流動(dòng)的阻塞，同時(shí)保證液體能夠及時(shí)補(bǔ)充到下游，提高流動(dòng)穩(wěn)定性和表面濕潤(rùn)性，因此，漸擴(kuò)型截面通道可以延緩CHF 出現(xiàn)，然而Prajapati 等[93-95]的研究還表明，在連通通道內(nèi)，氣泡向上游方向的生長(zhǎng)不僅得到抑制，還可以朝其他各方向生長(zhǎng)和拉長(zhǎng)，因此氣泡阻塞風(fēng)險(xiǎn)更小，再加上流體分流提高了壓力、流量的均勻性，勢(shì)必對(duì)于整個(gè)微通道換熱器的流動(dòng)穩(wěn)定性、強(qiáng)化換熱、壁面濕潤(rùn)性起到更好的促進(jìn)作用，因此連通通道對(duì)提高微通道CHF具有顯著效果。

Kandlikar 等[96]設(shè)計(jì)了開式微通道結(jié)構(gòu)（圖19），微通道上方增加了額外的流動(dòng)區(qū)域，且沿著流動(dòng)方向，額外流動(dòng)區(qū)域的高度逐漸增加，基于額外流動(dòng)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了所有并聯(lián)通道的頂部連通，開式微通道提供的額外空間可用于氣泡生長(zhǎng)聚合，促進(jìn)氣泡脫離加熱表面，驅(qū)使液體流向微通道底部，從而增加加熱表面濕潤(rùn)性，實(shí)現(xiàn)CHF 提升。Yin 等[97]也設(shè)計(jì)了開式微通道，研究表明，由于大量氣泡聚集在上方額外的流動(dòng)區(qū)域，不僅防止了氣泡對(duì)流體的阻塞，也促進(jìn)了氣泡下方液體對(duì)壁面的濕潤(rùn)（圖20），因此開式微通道也可以實(shí)現(xiàn)段塞流中氣泡的調(diào)節(jié)，且對(duì)于CHF的提升具有顯著作用。

圖18 基于等截面(a)、漸擴(kuò)型截面(b)、相鄰連通通道(c)的微通道結(jié)構(gòu)示意圖[94]Fig.18 Structure diagram of microchannels based on uniform(a),diverging cross-section(b)and connected adjacent channel(c) [94]

圖19 開式微通道結(jié)構(gòu)示意圖[96]Fig.19 Structure diagram of the open microchannels [96]

黨超等[98]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部連通型微通道（圖21），內(nèi)部連通區(qū)域可以引起兩相流的混合，實(shí)現(xiàn)下游液膜的重新初始化，增強(qiáng)下游液膜擾動(dòng)，破壞液膜內(nèi)的溫度梯度，降低液膜蒸發(fā)阻力，此外，氣液兩相混合還可以提高下游通道間的流動(dòng)均勻性，延遲局部干涸，因此可以顯著提升CHF。

圖20 開式微通道氣泡生成示意圖[97]Fig.20 Bubble generation in open microchannels [97]

圖21 內(nèi)部連通型微通道Fig.21 Internally connected microchannel

4.3.2 補(bǔ)液通道 在微通道上開設(shè)補(bǔ)液口及相應(yīng)的補(bǔ)液通道，已成為增強(qiáng)流動(dòng)沸騰換熱及CHF 的有效手段，基于補(bǔ)液流入與沖擊，可以破壞流動(dòng)邊界層、瓦解氣泡和抑制氣泡增長(zhǎng)，提高換熱性能、表面濕潤(rùn)性和壁面溫度均勻性。

Dai 等[99]設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)液通道，如圖22 所示，微通道入口處的過冷液體被分為兩個(gè)部分，一部分液體在主通道內(nèi)流動(dòng)，另一部分液體借助補(bǔ)液通道由補(bǔ)液口注入主流中。對(duì)于單相流動(dòng)區(qū)域而言，補(bǔ)液支流可以擾亂邊界層生長(zhǎng)，對(duì)于兩相流動(dòng)區(qū)域而言，補(bǔ)液支流可以限制氣泡生長(zhǎng)，促進(jìn)氣泡瓦解，因此補(bǔ)液通道可以強(qiáng)化換熱、增加兩相區(qū)表面濕潤(rùn)性、抑制氣泡生長(zhǎng)、降低微通道后半段壁面溫度，研究結(jié)果表明，借助補(bǔ)液通道，微通道CHF 可以獲得顯著提升。

圖22 補(bǔ)液通道結(jié)構(gòu)示意圖[99]Fig.22 Sketch of liquid supplying channel [99]

Loganathan 等[100]也設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)液通道，如圖23 所示，其中，補(bǔ)液通道的寬度、高度與主通道相同，補(bǔ)液口與主通道呈90o角，且位于主通道的中間處。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，借助補(bǔ)液通道，沸騰傳熱系數(shù)得到提高，且補(bǔ)液的充入與沖擊可以冷凝或者破壞氣泡，因此有利于CHF 的提升，但是實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，由于補(bǔ)液沖擊的影響，微通道的總壓降也增加了，最后指出，換熱性能受補(bǔ)液口位置、微通道長(zhǎng)度等因素影響，增加補(bǔ)液通道對(duì)于提高CHF 是一個(gè)值得關(guān)注的研究方向。

上述研究表明，補(bǔ)液通道有利于微通道換熱性能和CHF 的提升，但是流動(dòng)壓降增加也是一個(gè)需要值得注意的地方，此外，補(bǔ)液通道尺寸、補(bǔ)液口位置及數(shù)量、補(bǔ)液流量比例等均是影響微通道換熱性能和CHF 的主要因素，因此還需要對(duì)補(bǔ)液通道的工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化開展針對(duì)性研究，為降低流動(dòng)壓降、提升換熱性能和CHF提供參考依據(jù)。

5 結(jié) 語

（1）臨界熱通量（CHF）是流動(dòng)沸騰換熱所允許的最大熱通量，CHF 是微通道性能限制參數(shù)之一，研究人員對(duì)微通道CHF 機(jī)理過程開展大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱通量達(dá)到CHF 時(shí)，會(huì)發(fā)生壁面干涸、氣泡貼附壁面、液體無法及時(shí)補(bǔ)充壁面等現(xiàn)象，阻礙了壁面與液體的熱量傳遞，沸騰傳熱系數(shù)迅速下降，造成微通道壁面溫度突升，也會(huì)發(fā)生氣泡生成過快過大、氣泡聚合阻塞等現(xiàn)象，造成流體回流、壓力劇烈波動(dòng)或突升等流動(dòng)不穩(wěn)定性問題，導(dǎo)致CHF提前出現(xiàn)。

圖23 補(bǔ)液通道幾何結(jié)構(gòu)示意圖[100]Fig.23 Geometry sketch of liquid supplying channel [100]

（2）基于實(shí)際應(yīng)用中換熱安全的重要性，研究人員開展了工況參數(shù)、通道尺寸對(duì)微通道CHF 的影響規(guī)律研究，研究結(jié)果表明，隨著質(zhì)量流速的增加，有利于CHF 增加但增加幅度越來越小，飽和壓力對(duì)CHF 的影響根源在于不同壓力下工質(zhì)物性參數(shù)的改變，通道截面尺寸增加有利于氣泡流動(dòng)和CHF 提升，而通道長(zhǎng)度增加易造成液膜厚度降低和CHF 下降，入口過冷度增加有利于CHF 提升，但其對(duì)微通道CHF 的影響程度，學(xué)術(shù)界觀點(diǎn)存在差異，仍需進(jìn)行深入研究。

（3）為實(shí)現(xiàn)微通道安全運(yùn)行，研究人員建立了微通道CHF的預(yù)測(cè)方法：基于CHF 觸發(fā)機(jī)制和理論推導(dǎo)，建立CHF 的數(shù)學(xué)模型及其求解方法，或者基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開發(fā)CHF 預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，目前已開發(fā)了水、制冷劑、納米流體等工質(zhì)的關(guān)聯(lián)式，在選擇關(guān)聯(lián)式時(shí)，還需結(jié)合實(shí)際使用工質(zhì)，以提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。上述CHF 預(yù)測(cè)方法對(duì)于微通道設(shè)計(jì)與優(yōu)化起到了指導(dǎo)作用，但是基于新型環(huán)保制冷劑、非水類工質(zhì)的納米流體、非共沸混合工質(zhì)的微通道CHF 預(yù)測(cè)研究仍需進(jìn)一步開展。

（4）隨著電子器件的功率和集成度越來越高，熱通量也越來越大，因此微通道CHF 提升技術(shù)對(duì)于電子設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有重要意義，研究人員對(duì)納米流體、非共沸混合工質(zhì)、多孔結(jié)構(gòu)表面、微結(jié)構(gòu)表面、親疏水性表面、通道連通、補(bǔ)液通道均開展了大量研究，以上技術(shù)可以阻礙壁面氣膜形成，抑制氣泡生長(zhǎng)、聚合與阻塞，促進(jìn)氣泡流動(dòng)，增加液膜厚度，提高液相對(duì)壁面濕潤(rùn)能力，因此在提升微通道CHF 方面均取得了顯著成效。隨著新材料、加工工藝的發(fā)展，微通道CHF 的提升空間得到了拓展，因此如何進(jìn)一步制備新的工質(zhì)、換熱表面與通道結(jié)構(gòu)，并充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，已成為提高微通道CHF的未來研究方向。

符 號(hào) 說 明

Ach——微通道截面面積，m2

AH——加熱面積，m2

Ai——?dú)庖航缑婷娣e，m2

AL——液相截面積，m2

ALW——液相與壁面接觸面積，m2

AV——?dú)庀嘟孛娣e，m2

Co——限制數(shù)

cp——液體比定壓熱容，J/(kg·K)

D——直徑，m

dr——液滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)

f——液膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)

G——質(zhì)量流速，kg/(m2·s)

Gx——過載大小，g

g——重力加速度，m/s2

Hch——矩形通道高度，m

h——比焓，J/kg

hLV——汽化潛熱，J/kg

kd`——傳質(zhì)系數(shù)，m/s

L——微通道加熱長(zhǎng)度，m

Ma——Marangoni數(shù)

m——質(zhì)量流量，kg/s

me——液滴質(zhì)量流量，kg/s

mf——液膜質(zhì)量流量，kg/s

mV——蒸氣質(zhì)量流量，kg/s

Nn——納米顆粒數(shù)量

Pch——通道周長(zhǎng)，m

PV——蒸汽流區(qū)域截面周長(zhǎng)，m

Pr——Prandtl數(shù)

p——壓力，Pa

q——熱通量，W/m2

r——直徑，m

T——溫度，K

ΔTsub——液體入口過冷度，K

u——流速，m/s

Wch——矩形通道寬度，m

We——飽和液體Weber數(shù)

x——蒸汽干度

z——通道長(zhǎng)度方向坐標(biāo)，m

δ——液膜厚度，m

δi——波浪液膜平均厚度，m

?！獋髻|(zhì)速率，kg/(m·s)

θ——加熱方位，加熱面朝上：θ=0°，加熱面朝下：θ=180°

μ——?jiǎng)恿︷ざ?，Pa·s

ν——運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s

ρ——密度，kg/m3

Δρ——飽和液體與氣體密度差，kg/m3

σ——表面張力，N/m

Δσ——液體在露點(diǎn)溫度與泡點(diǎn)溫度的表面張力之差，N/m

τLV——蒸汽與壁面之間的剪應(yīng)力，N

τLW——液體與壁面之間的剪應(yīng)力，N

φ——納米顆粒體積分?jǐn)?shù)

下角標(biāo)

bf——基本流體

chf——臨界值

cr——臨界狀態(tài)

dr——液滴

e——加熱當(dāng)量

f——液膜

h——水力直徑

i——通道入口

L——飽和液體

o——通道出口

sat——飽和狀態(tài)

t——管內(nèi)徑

V——飽和氣體