超聲波強(qiáng)化換熱研究進(jìn)展

陳真真，陳洪強(qiáng)，黃 磊，郝南京?

1) 西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，西安 710049 2) 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所傳感技術(shù)聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200050

隨著現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，微電子器件在信息、航空航天、能源和化工等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要和廣泛的作用.為了滿足實(shí)際應(yīng)用需求，微電子器件的集成化和高頻化程度在不斷提高并且特征尺寸在不斷減小，導(dǎo)致了熱流密度也越來(lái)越高.高熱流密度不僅會(huì)嚴(yán)重制約微電子器件的性能，而且對(duì)芯片的壽命、可靠性和安全性帶來(lái)不利影響.鑒于傳統(tǒng)的風(fēng)冷和液冷技術(shù)很難滿足這些高性能微電子器件的散熱要求[1]，如何實(shí)現(xiàn)高效換熱已成為全球高科技產(chǎn)業(yè)甚至整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題.

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)換熱過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)開(kāi)展了大量的研究并提出了多種無(wú)源換熱過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)，包括基于換熱元件結(jié)構(gòu)[2]、表面疏水性[3]、納米流體工質(zhì)[4]、表面粗糙度[5]和換熱通道尺寸的調(diào)控等[6].盡管取得了一系列重要的研究發(fā)現(xiàn)，但是這些無(wú)源換熱技術(shù)在不同程度上增加了流動(dòng)阻力，從而極大地限制了其應(yīng)用潛力[7].為了改善系統(tǒng)的綜合換熱性能，亟需進(jìn)一步發(fā)展新型強(qiáng)化換熱原理與技術(shù).超聲波具有成本低、使用簡(jiǎn)便、操控靈活、穿透性強(qiáng)和無(wú)污染等特點(diǎn)，在材料[8]、國(guó)防與交通[9]以及醫(yī)療診斷與環(huán)境等領(lǐng)域[10]發(fā)揮著重要應(yīng)用.超聲波作為一種有源強(qiáng)化換熱技術(shù)可以對(duì)傳熱過(guò)程進(jìn)行精確控制，如通過(guò)改變超聲換能器的工作位置和方向可以對(duì)特定區(qū)域的換熱性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)施加不同的工作電壓和頻率可以對(duì)熱交換的速率進(jìn)行控制，以及通過(guò)調(diào)整超聲換能器的數(shù)量和類(lèi)型可以對(duì)不同熱沉進(jìn)行熱管理，因此逐漸受到研究者的關(guān)注和重視.目前，超聲波與散熱技術(shù)相結(jié)合可以有效地實(shí)現(xiàn)單相對(duì)流和沸騰換熱過(guò)程強(qiáng)化，并成為解決微電子器件散熱冷卻問(wèn)題的重要途徑[11].

本文對(duì)超聲波激勵(lì)換熱過(guò)程強(qiáng)化的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，包括單相氣體對(duì)流、單相液體對(duì)流、池沸騰和流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱過(guò)程.首先對(duì)超聲波強(qiáng)化換熱的主要機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)介紹，然后對(duì)超聲波技術(shù)在單相對(duì)流換熱和沸騰換熱方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行著重總結(jié)和分析，最后對(duì)超聲波激勵(lì)換熱過(guò)程強(qiáng)化存在的問(wèn)題挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展思路進(jìn)行深入討論，以期為構(gòu)建高性能和實(shí)用化的強(qiáng)化換熱體系提供新的研究思路.

1 超聲波強(qiáng)化換熱機(jī)理

超聲波是一種短波長(zhǎng)的機(jī)械波，通常的頻率范圍在20 kHz 到100 MHz 之間，并且在介質(zhì)中具有良好的穿透性、方向性和聚焦性.超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多效應(yīng)，如聲空化（Acoustic cavitation）、聲流（Acoustic streaming）、熱（Heating）和霧化（Nebulization）等.超聲波強(qiáng)化換熱應(yīng)用主要涉及聲空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)（圖1(a)）[12].

超聲空化是超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的主要現(xiàn)象，涉及空化汽泡的形成、生長(zhǎng)、振蕩和崩潰等一系列物理化學(xué)變化過(guò)程.聲空化汽泡的產(chǎn)生通常是由于聲波產(chǎn)生的壓力波在液體中機(jī)械振動(dòng)造成的壓強(qiáng)變化引起的.汽泡的大小與溫度、壓強(qiáng)和氣體溶解率等密切相關(guān).空化汽泡的尺寸一般在10-4m，汽泡崩潰的時(shí)間在微秒級(jí)，因此瞬間產(chǎn)生的射流速度可以達(dá)到100 m·s-1，而且局部的壓力可以達(dá)到接近200 MPa[13].超聲空化過(guò)程還可以產(chǎn)生明顯的湍動(dòng)效應(yīng)、微擾效應(yīng)和界面效應(yīng)：湍動(dòng)效應(yīng)是聲沖擊波引起體系的宏觀湍動(dòng)致使邊界層減薄并增加傳質(zhì)和傳熱效率；微擾效應(yīng)是超聲空化的微擾動(dòng)作用強(qiáng)化擴(kuò)散速率；界面效應(yīng)是聲空化引起的微射流致使新的活化表面產(chǎn)生并帶來(lái)?yè)Q熱表面積的增加.聲空化強(qiáng)化換熱就是通過(guò)這些因素減薄熱邊界層、降低熱阻、增加對(duì)流速率和提高熱擴(kuò)散效率實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱效果（圖1(b)）.另外，研究者也提出基于縮合鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的聲空化強(qiáng)化換熱機(jī)理：當(dāng)遠(yuǎn)離壁面時(shí)，空化汽泡在鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程中進(jìn)行縮合；當(dāng)空化接近壁面時(shí)，空化汽泡變形生成較小尺寸的汽泡使熱邊界層變薄以及導(dǎo)致熱阻降低，同時(shí)結(jié)合微射流作用提高換熱性能[14].

圖1 (a) 超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)；(b) 聲場(chǎng)空化強(qiáng)化換熱原理；(c) 聲流強(qiáng)化換熱示意圖[12]Fig.1 (a) Acoustic cavitation and acoustic streaming effects excited by ultrasound;(b) principles of heat transfer enhancement by acoustic cavitation;(c) schematic diagram showing the acoustic streaming enhancement of convective heat transfer[12]

聲流是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)引起的與時(shí)間無(wú)關(guān)的非周期性穩(wěn)流現(xiàn)象.聲流現(xiàn)象一般發(fā)生在自由非均勻聲場(chǎng)中或者各種固體障礙物附近[11].聲流通常包括體聲流（Bulk streaming）和微聲流（Microstreaming）：體聲流是由自由空間中聲波的衰減或者因固體與介質(zhì)之間的相互作用引起，而微聲流是與微小空化汽泡在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部流動(dòng)有關(guān).聲流速度取決于超聲波的功率和頻率，通常在1～100 cm·s-1[12]，聲流的速度直接決定了體系中對(duì)流換熱的效率.當(dāng)聲流效應(yīng)作用在固體熱表面時(shí)，附近的液體會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)現(xiàn)象并提高汽泡脫離固體表面的效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)換熱過(guò)程強(qiáng)化的效果（圖1(c)）.

2 超聲波強(qiáng)化單相氣體對(duì)流換熱

單相氣體對(duì)流換熱是指氣流經(jīng)過(guò)物體表面時(shí)，氣固界面發(fā)生熱量傳遞，超聲波的引入主要通過(guò)聲流效應(yīng)提高換熱效率.Vainshtein 等[15]較早地對(duì)平板間超聲波強(qiáng)化換熱進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，當(dāng)聲波方向與平板間氣流流動(dòng)方向平行并且平板間的距離遠(yuǎn)小于聲波波長(zhǎng)時(shí)，聲波的存在會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)制熱對(duì)流現(xiàn)象（圖2(a)），而且對(duì)流換熱的效率與聲幅值和頻率的平方根成正比.劉峰和李學(xué)敏[16]利用時(shí)空守恒元解元（Space-time conservation element and solution element）算法在類(lèi)似的條件下研究了二維平板內(nèi)駐波聲流對(duì)傳熱的影響，結(jié)果也證實(shí)了駐波聲流可以顯著地加快對(duì)流換熱并能夠有效地降低流場(chǎng)中的熱量.除了聲流與氣流方向平行的情形外，研究者也對(duì)聲流與氣流方向垂直的情形進(jìn)行了分析[17-19].Rahbari 等[17]對(duì)平行平板內(nèi)的氣流施加了垂直方向的脈沖聲場(chǎng)（圖2(b)），模擬分析發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)的引入對(duì)湍流動(dòng)能、湍流熱流密度和雷諾剪切力產(chǎn)生了顯著影響.Aktas 等[18]利用通量校正傳輸（flux-corrected transport）算法證實(shí)超聲波產(chǎn)生的聲流現(xiàn)象可以提高矩形通道內(nèi)氮?dú)鈿饬鞯臒峤粨Q速率.楊延鋒等[19]采用分離時(shí)間尺度（Time-scale decomposition）數(shù)值方法對(duì)行波場(chǎng)中單換熱管外聲流強(qiáng)化傳熱進(jìn)行分析，結(jié)果表明以空氣為介質(zhì)的換熱管的換熱效率隨著聲激勵(lì)頻率和聲壓的增加分別呈指數(shù)式降低和指數(shù)式增加的趨勢(shì)，低頻聲波可以在換熱管邊界層內(nèi)、外形成強(qiáng)烈聲流擾動(dòng)，進(jìn)而極大地強(qiáng)化了熱運(yùn)輸性能.另外，Rulik 等[20-21]提出了空穴結(jié)構(gòu)作為聲波發(fā)生器用于強(qiáng)化換熱的設(shè)計(jì)（圖2(c)），在30～70 m·s-1空氣介質(zhì)流動(dòng)條件下冷卻性能明顯提升，而且溫度場(chǎng)分布的均一性也顯著提高.這些數(shù)值模擬分析結(jié)果證實(shí)了超聲波聲流效應(yīng)可以強(qiáng)化氣體對(duì)流換熱性能.

圖2 (a) 聲波方向與氣流平行的兩平板間換熱分析[15]；(b) 聲波方向與氣流垂直的兩平板間換熱分析[17]；(c) 基于空穴的聲波強(qiáng)化換熱數(shù)值分析[20]Fig.2 (a) Heat transfer between two parallel plates with wave propagation along the longitudinal direction[15];(b) heat transfer between two parallel plates with wave propagation along the spanwise direction[17];(c) heat transfer enhancement using acoustic waves in a cavity[20]

在超聲波強(qiáng)化單相氣體對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)研究方面，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)發(fā)了不同的實(shí)驗(yàn)裝置體系.Lemlich 和Hwu[22]等較早地研究了聲場(chǎng)的振動(dòng)對(duì)換熱性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)的引入可以使對(duì)流區(qū)和湍流區(qū)的努塞爾數(shù)（Nusselt number）分別提高51%和27%，而且換熱性能隨著聲幅和共振頻率的增加而提高.Mozurkewich[23]觀察了駐波對(duì)換熱管性能的影響，換熱系數(shù)隨著聲幅發(fā)生顯著變化，在低聲速條件下自由對(duì)流占主導(dǎo)，而在高聲速條件下?lián)Q熱性能取決于時(shí)間平均穩(wěn)態(tài)流當(dāng)量（Time-average steady-flow equivalent）.Loh和其他研究人員[24-27]開(kāi)發(fā)了不同超聲彎曲振動(dòng)產(chǎn)生聲流的裝置用于強(qiáng)化對(duì)流換熱（圖3(a)～(b)）.基于錐形喇叭超聲振動(dòng)裝置證實(shí)聲流速度與振幅和波長(zhǎng)的平方成正相關(guān)且與激發(fā)頻率成負(fù)相關(guān)的關(guān)系，在頻率為28.4 kHz 和鋁振動(dòng)梁振幅為25 μm的情形下溫度可以在4 min 內(nèi)降低40°（圖3(a)）；將熱源置于超聲振蕩器和鋁振動(dòng)板正上方時(shí)（圖3(b)），在頻率為30 kHz 的情形下，縱向聲振動(dòng)也可以快速引起聲流現(xiàn)象并導(dǎo)致溫度顯著下降，而且冷卻性能與超聲振蕩器和熱源之間的距離密切相關(guān)，距離為超聲波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)冷卻效率最高[25,27].除了超聲波外，研究者也開(kāi)發(fā)了基于揚(yáng)聲器（工作頻率＜20 kHz）的不同聲波強(qiáng)化換熱裝置體系[28-30].如Gau 等[29]研究了聲波激勵(lì)對(duì)狹槽氣體射流沖擊冷卻的影響，在固有頻率時(shí)換熱性能隨著聲壓水平的增加而提高，在非固有頻率時(shí)換熱性能隨著聲壓水平的增加而降低；Komarov 和Hirasawa[30]將預(yù)熱的鈀線置于頻率范圍為216～1031 Hz駐波的反節(jié)點(diǎn)或者頻率范圍為6.9～17.2 kHz 行波傳輸路徑時(shí)，氣相換熱速率隨著聲場(chǎng)強(qiáng)度的增加而提高，并且聲波對(duì)強(qiáng)化換熱的影響隨著氣流速度的增加而減?。籖oux 等[28]設(shè)計(jì)了收縮噴嘴和長(zhǎng)管?chē)娮祛?lèi)型的聲激勵(lì)沖擊射流強(qiáng)化換熱裝置（圖3(c)），高速顆粒成像測(cè)速和紅外熱成像結(jié)果證實(shí)收縮噴嘴可以增強(qiáng)湍流強(qiáng)度進(jìn)而提高換熱效率.這些結(jié)果不僅證實(shí)了聲波可以有效地通過(guò)聲流作用促進(jìn)氣固界面強(qiáng)化換熱，而且揭示了聲激勵(lì)換熱結(jié)構(gòu)體系合理設(shè)計(jì)的重要性.

圖3 (a) 錐形喇叭超聲振動(dòng)強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)裝置[24]；(b) 縱向聲振動(dòng)聲流換熱實(shí)驗(yàn)裝置[25]；(c) 收縮噴嘴（上）和長(zhǎng)管?chē)娮欤ㄏ拢╊?lèi)型的聲激勵(lì)沖擊射流強(qiáng)化換熱裝置[28]Fig.3 (a) Experimental setup demonstrating conical horn-based ultrasonic vibrations for convective transfer enhancement[24];(b) experimental setup for the acoustic streaming-induced heat transfer by longitudinal ultrasonic vibration[25];(c) impinging jet heat transfer with contraction nozzle under acoustic excitation (up) and long tube nozzle (down) types[28]

3 超聲波強(qiáng)化單相液體對(duì)流換熱

單相液體對(duì)流換熱是指液體流經(jīng)物體表面時(shí)，液固界面發(fā)生熱量傳遞并且整個(gè)過(guò)程液體無(wú)相變發(fā)生，超聲波的引入通過(guò)聲空化和聲流效應(yīng)提高對(duì)流換熱效率.從理論層次方面，研究者提出了一些基于體聲波（Bulk wave）[31-32]和表面聲波（Surface acoustic wave）[33-34]的超聲波強(qiáng)化換熱體系.Cai 等[31]以水為工質(zhì)在方形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了聲空化強(qiáng)化對(duì)流換熱數(shù)值建模分析（圖4(a)），研究發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)可以通過(guò)空化汽泡崩潰產(chǎn)生射流束提高液體溫度分布均一性和加熱面的換熱系數(shù).Kumar等[32]提出超聲體力通過(guò)引起非均質(zhì)流體的聲重定位現(xiàn)象（Acoustic relocation phenomenon）實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱，當(dāng)超聲駐波垂直于換熱方向時(shí)超聲換熱的效率分別可以達(dá)到自然對(duì)流換熱和傳導(dǎo)換熱的2.5 倍和11.2 倍，但是當(dāng)聲波平行于換熱方向時(shí)對(duì)流換熱就會(huì)受到抑制，因此這個(gè)換熱機(jī)制為微重力下無(wú)自然對(duì)流情形時(shí)的熱管理體系構(gòu)建提供了重要思路.對(duì)于表面聲波換熱體系，目前的研究相對(duì)較少并且基本都集中在微通道對(duì)流換熱方面.Li 等[33]在鈮酸鋰基底上設(shè)計(jì)了駐表面聲波微通道熱沉（圖4(b)），利用微擾理論（Perturbation theory）證實(shí)駐表面波可以顯著增強(qiáng)整體換熱性能；當(dāng)通道高度恒定時(shí)，波長(zhǎng)越短或者微通道越窄對(duì)換熱性能越有利；保持微通道寬度和波長(zhǎng)不變時(shí)，微通道橫截面越大換熱效率越高，其原理在于聲流可以誘導(dǎo)產(chǎn)生聲渦以及破壞熱邊界層.Das 等[34]對(duì)表面聲波驅(qū)動(dòng)微通道內(nèi)的換熱現(xiàn)象進(jìn)行了多尺度微擾理論分析，在固定通道長(zhǎng)寬比的條件下，系統(tǒng)尺寸越大聲能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能的效率越高，進(jìn)而導(dǎo)致通道內(nèi)液體問(wèn)題的上升；增加表面聲波的頻率可以引起聲能密度增加并因此引起溫度上升.這些結(jié)果從理論角度驗(yàn)證了超聲波可以通過(guò)聲空化和聲流效應(yīng)強(qiáng)化換熱.

圖4 (a) 超聲振蕩空化強(qiáng)化換熱數(shù)值分析模型[31]；(b) 表面聲波驅(qū)動(dòng)微通道熱沉換熱過(guò)程強(qiáng)化數(shù)值研究[33]Fig.4 (a) Numerical modeling of ultrasonic cavitation for improving the convection heat transfer[31];(b) numerical study of the surface acoustic wavedriven microchannel heat sink for heat transfer enhancement[33]

對(duì)于超聲波強(qiáng)化單相液體對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出多種不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)裝置體系.目前研究相對(duì)較多的是聲空化和聲流效應(yīng)對(duì)水平圓管的單相對(duì)流換熱強(qiáng)化[35-40].如Fand[36]和Richardson[37]較早地以水為工質(zhì)分別證實(shí)了超聲波振蕩引起的聲空化和聲流效應(yīng)可以有效提高水平圓管的換熱性能.周定偉等[39]對(duì)聲空化場(chǎng)強(qiáng)化水平圓管單相液體對(duì)流換熱做了一系列系統(tǒng)的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聲空化強(qiáng)化單相對(duì)流換熱性能隨實(shí)驗(yàn)工質(zhì)不同可以產(chǎn)生明顯變化，效果最差的是水，丙酮居中，無(wú)水乙醇換熱性能最佳；水平圓管的單相對(duì)流換熱強(qiáng)化效率與聲空化場(chǎng)作用距離、強(qiáng)度、方向和液體溫度密切相關(guān)[38]，當(dāng)超聲換能器在圓管中央時(shí)換熱性能最好[35]（圖5(a)）.Dhanalakshmi 等[40]在低頻超聲波（20～33 kHz）條件下對(duì)以水為工質(zhì)的爐管強(qiáng)化換熱性能進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)超聲只在近靜態(tài)和低雷諾流動(dòng)條件下具有顯著強(qiáng)化換熱效果，當(dāng)流速增加時(shí)聲空化和聲流效應(yīng)對(duì)強(qiáng)化換熱的影響快速降低.另外，Nomura等[41]提出了喇叭狀超聲發(fā)生器單相液體對(duì)流強(qiáng)化換熱裝置（圖5(b)），結(jié)果證實(shí)聲射流可以使自來(lái)水和脫氣水工質(zhì)的換熱效率提高近10 倍；Xian 和其他研究人員[42-44]]設(shè)計(jì)了基于超聲波換能棒的聲空化強(qiáng)化振蕩流熱管換熱裝置體系（圖5(c)），以無(wú)水乙醇或者二次蒸餾水為工質(zhì)時(shí)聲空化振蕩熱流管的換熱性能均優(yōu)于常規(guī)振蕩熱流管.除了低頻超聲波之外，高頻超聲波（＞1 MHz）裝置也被成功用于強(qiáng)化換熱[45-47].如Monnot 等[45]構(gòu)建了帶有冷卻螺旋線圈的高頻超聲冷卻體系（圖5(d)），在1.6 MHz的工作頻率下超聲場(chǎng)可以將螺旋線圈的整體換熱系數(shù)提高至100%；Bulliard-Sauret 等[46]以自來(lái)水為工質(zhì)利用顆粒成像測(cè)速技術(shù)證實(shí)了2 MHz 超聲波可以增加對(duì)流換熱系數(shù)；Rahimi 等[47]將鈀線浸沒(méi)在去離子水中并觀察了置于不同位置的1.7 MHz超聲換能器對(duì)換熱性能的影響，結(jié)果證實(shí)圓柱容器側(cè)壁的超聲換能器比底部的超聲換能器具有更高的換熱效率.此外，＜20 kHz 的聲波裝置也能顯著提高水工質(zhì)[48-49]和煤油工質(zhì)[50]體系的換熱性能.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)證了聲空化和聲流效應(yīng)可以有效強(qiáng)化單相液體對(duì)流換熱過(guò)程，而且從不同角度揭示了實(shí)驗(yàn)條件（如工質(zhì)類(lèi)型、換能器位置和作用距離等）對(duì)換熱性能具有重要影響.

圖5 (a) 聲空化強(qiáng)化水平空管對(duì)流換熱[35]；(b) 喇叭狀超聲發(fā)生器強(qiáng)化換熱[41]；(c) 聲空化強(qiáng)化振蕩流熱管換熱[42]；(d) 高頻聲波強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)裝置[45]Fig.5 (a) Augmentation of convective heat transfer by acoustic cavitation from a horizontal circular tube[35];(b) enhancement of ultrasonic heat transfer enhancement with a horn-type transducer[41];(c) heat transfer enhancement of oscillating flow heat pipe by acoustic cavitation[42];(d) experimental setup of heat transfer enhancement using high-frequency ultrasound[45]

4 超聲波強(qiáng)化池沸騰換熱

池沸騰指將加熱壁面沉浸在無(wú)宏觀流速的液體中所發(fā)生的沸騰，超聲波一般通過(guò)聲空化效應(yīng)強(qiáng)化換熱過(guò)程.Wong 和Chon[51]較早地用電加熱的鈀線對(duì)水和甲醇工質(zhì)的超聲振動(dòng)池沸騰進(jìn)行觀察，結(jié)果證實(shí)空化汽泡的產(chǎn)生可以顯著提高池沸騰的換熱性能.李長(zhǎng)達(dá)等[52]以去離子水工質(zhì)證實(shí)了超聲波對(duì)池沸騰強(qiáng)化換熱作用隨著液體過(guò)冷度的減小而減弱，而且隨著超聲功率的增加和作用距離的減小，超聲波強(qiáng)化沸騰換熱性能逐漸提高.Lin 等[53]對(duì)盤(pán)管式熱交換器的超聲波強(qiáng)化換熱進(jìn)行了數(shù)值分析，由于聲空化和聲流的作用，當(dāng)超聲處理0.005 s 后換熱強(qiáng)化因子可以達(dá)到24.26%，而且換熱強(qiáng)化因子隨著聲振幅和壓力的增加而增大.

對(duì)于水平圓管的超聲波強(qiáng)化池沸騰換熱，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究.Zhou 等[54-56]對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的聲空化強(qiáng)化池沸騰換熱進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)分析（圖6(a)），結(jié)果發(fā)現(xiàn)：以丙酮為工質(zhì)時(shí)銅納米顆粒的添加不會(huì)改變水平圓管沸騰換熱性能隨聲空化場(chǎng)方向、強(qiáng)度和液體過(guò)冷度變化的趨勢(shì)，而且沸騰換熱性能隨著納米顆粒的增加呈現(xiàn)先降低后提高的趨勢(shì)；超聲換能器遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)件時(shí)聲空化對(duì)沸騰強(qiáng)化換熱的作用降低，進(jìn)而導(dǎo)致沸騰起始溫度和熱流密度隨著聲空化效應(yīng)的減弱而增加[57-58]；聲空化場(chǎng)可以強(qiáng)化浸沒(méi)在多孔介質(zhì)中水平圓管的沸騰換熱性能，但也受到超聲換能棒與實(shí)驗(yàn)件的距離與方向以及聲空化強(qiáng)度等因素的影響[59]；聲空化強(qiáng)化沸騰換熱是由汽泡核化位點(diǎn)和實(shí)際換熱面積的變化引起的，進(jìn)而影響到汽泡的形成和脫離效率[55,60-61].孫寶芝等[62]分析了以乙醇為工質(zhì)聲空化條件下水平銅管的池沸騰換熱行為，研究發(fā)現(xiàn)聲空化對(duì)過(guò)冷沸騰有顯著強(qiáng)化作用；當(dāng)處在核態(tài)沸騰時(shí)，聲空化對(duì)沸騰起始區(qū)的強(qiáng)化率最大，但是強(qiáng)化率隨著熱流密度的增加而逐漸減??；當(dāng)熱流密度相等時(shí)，強(qiáng)化率隨著聲空化強(qiáng)度的增加而逐漸增大.另外，Baffigi 和Bartoli[63]以水為工質(zhì)并對(duì)水平圓管施加40 kHz 的超聲波，結(jié)果證實(shí)了飽和池沸騰條件下的換熱系數(shù)低于過(guò)冷沸騰，而且超聲波的強(qiáng)化換熱性能隨著過(guò)冷度接近飽和逐漸降低.這些研究從不同角度揭示了超聲波可以通過(guò)聲空化效應(yīng)強(qiáng)化水平圓管的池沸騰換熱性能.

圖6 (a) 水平銅管聲空化沸騰換熱強(qiáng)化[54]；(b) 翅片管超聲波強(qiáng)化池沸騰換熱[64]；(c) 電聲耦合強(qiáng)化換熱，c1-c3 為介電潤(rùn)濕和聲激勵(lì)條件下汽泡的級(jí)聯(lián)行為[65]；(d) 微重力池沸騰換熱過(guò)程中空化汽泡分布(紅圈內(nèi)是聲壓反節(jié)點(diǎn)處空化汽泡區(qū)域;紅色箭頭是汽泡向反節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡)[66]Fig.6 (a) Boiling heat transfer enhancement of heated horizontal copper tube via acoustic cavitation[54];(b) boiling heat transfer enhancement of a fin tube under ultrasound[64];(c) integrated electric and acoustic actuation for heat transfer enhancement,c1-c3 are the sequential steps of bubble behavior by dielectrowetting and acoustic excitation[65];(d) distribution of cavitation bubbles during the microgravity pool boiling heat transfer process (red circles indicate the regions of bubble cavitation at antinodes;red arrow indicates the trajectory of a bubble formed at the heater towards an antinode)[66]

對(duì)于超聲作用下不同粗糙度表面的池沸騰換熱，研究者提出了不同類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)體系.張佳等[67]以水為工質(zhì)觀察了不同粗糙度平板作為加熱壁面的池沸騰換熱，超聲波引起的聲空化和聲流效應(yīng)可以顯著提高池沸騰換熱性能，但是無(wú)超聲作用下表面粗糙度僅能在一定水平上強(qiáng)化過(guò)冷沸騰起始段和核態(tài)沸騰段的換熱；與高熱流密度沸騰換熱相比，超聲波能夠更加有效地強(qiáng)化沸騰起始階段的換熱性能，而且超聲輻射距離越近或者強(qiáng)度越大，強(qiáng)化換熱效果越好[68].Boziuk 等[69]對(duì)光滑平面和表面嵌刻微通道特征平面的池沸騰換熱進(jìn)行了對(duì)比，在無(wú)超聲的情形下，表面嵌刻微通道特征平面比光滑平面的換熱性能提高了218%，超聲波的引入可以將光滑平面和表面嵌刻微通道特征平面的池沸騰換熱性能分別提高66%和31%；超聲波強(qiáng)化換熱的機(jī)制可以歸因于聲場(chǎng)產(chǎn)生的毛細(xì)波和輻射壓力，進(jìn)而有效地促進(jìn)了汽泡從加熱表面脫離并抑制了大汽泡柱和蒸汽膜的形成[69-70].Wan等[64]對(duì)比了不同類(lèi)型銅管的池沸騰超聲波強(qiáng)化換熱性能（圖6(b)），三維翅片銅管比光滑銅管和螺紋銅管具有更高的超聲波強(qiáng)化換熱效率，而且21 kHz比45 kHz 工作頻率的超聲換熱性能要高，90 W 比30 W 功率的超聲換熱性能要高[71].這些研究突出了換熱器的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)超聲波強(qiáng)化換熱的重要性.

除了上述常規(guī)的超聲波強(qiáng)化池沸騰換熱外，研究者也報(bào)道了電聲耦合池沸騰換熱[65]和微重力超聲池沸騰換熱[66,72-73].Hyun 等[65]利用電和聲協(xié)同驅(qū)動(dòng)加速汽泡脫離以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化換熱（圖6(c)），介電潤(rùn)濕和聲激勵(lì)分別用于將汽泡從底物上脫離和轉(zhuǎn)移分離的汽泡，進(jìn)而將大量熱量快速傳遞出去.對(duì)于微重力超聲池沸騰換熱，Sitter 等[72]較早地用鈀線加熱器以FC-72 為工質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察，結(jié)果證實(shí)了聲場(chǎng)可以有效地在微重力環(huán)境下維持核態(tài)沸騰，而且當(dāng)鈀線位于聲壓反節(jié)點(diǎn)時(shí)換熱效率最高；Moehrle 和Chung[73]用同樣的實(shí)驗(yàn)條件證實(shí)了在空間微重力環(huán)境下聲場(chǎng)可以用于維持核態(tài)沸騰過(guò)程，微重力沸騰臨界熱流密度隨著聲幅值的增加而提高，而且汽泡在微重力環(huán)境下可以匯集至聲壓節(jié)點(diǎn)處；Quintana-Buil 和González-Cinca[66]以HFE-7100 為工質(zhì)進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)工作頻率為壓電換能器額定頻率時(shí)強(qiáng)化換熱性能最高，微重力條件下鋁基底比聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）基底作為加熱器材料具有更穩(wěn)定的振幅，而且空化汽泡集中在聲壓反節(jié)點(diǎn)處（圖6(d)）.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了超聲波不論在地面常重力環(huán)境還是在空間微重力環(huán)境下都具有顯著的強(qiáng)化換熱性能.

5 超聲波強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱

流動(dòng)沸騰指液體工質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中被加熱，超聲波通過(guò)聲空化和聲流效應(yīng)實(shí)現(xiàn)流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱.近年來(lái)，流動(dòng)沸騰特別是微通道流動(dòng)沸騰熱沉裝置受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是超聲波對(duì)流動(dòng)沸騰換熱影響的研究仍然相對(duì)較少.Fogg 和Goodson[74]較早地提出了與經(jīng)典“水錘（Water hammer）”理論類(lèi)似的聲壓力波模型用于預(yù)測(cè)其對(duì)汽泡成核速率和微通道流動(dòng)沸騰換熱系數(shù)的影響，結(jié)果證實(shí)微通道體系的換熱性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān).Shariff[75]觀察了聲場(chǎng)條件下微通道內(nèi)制冷劑混合物R-407C 的過(guò)冷沸騰和飽和沸騰換熱性能，過(guò)冷沸騰階段熱流密度提高45%時(shí)換熱系數(shù)提高13%，飽和沸騰階段熱流密度提高53%時(shí)換熱系數(shù)提高21%，而且對(duì)于過(guò)冷沸騰階段和飽和沸騰階段，換熱系數(shù)隨著工作頻率的提高而增加.Qu 和Qiu[76]設(shè)計(jì)了基于微加熱器和溫度傳感器陣列的微室流動(dòng)沸騰超聲波強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)裝置（圖7(a)），微加熱器可以產(chǎn)生熱汽泡，貼附在微室壁的壓電陶瓷片通過(guò)產(chǎn)生聲場(chǎng)作用力與馬蘭戈尼力（Marangoni force）協(xié)同促進(jìn)汽泡運(yùn)動(dòng)進(jìn)而強(qiáng)化換熱性能.Zhou 等[77]以R-141b為工質(zhì)構(gòu)建了多個(gè)超聲換能器置于微通道正上方的流動(dòng)沸騰熱沉（圖7(b)），超聲空化使微通道內(nèi)出現(xiàn)更多的汽泡并使核態(tài)沸騰區(qū)沿流動(dòng)方向前移，而且超聲場(chǎng)使汽泡撞擊通道壁的運(yùn)動(dòng)速率提高了31.9%，這些結(jié)果使超聲波強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱性能增加了53.9%.Yu 等[78]將兩個(gè)超聲換能器分別置于微通道陣列的入口和出口處并構(gòu)建了R-141b 為工質(zhì)的微通道熱沉（圖7(c)），流動(dòng)可視化分析揭示超聲波可以加速汽泡運(yùn)動(dòng)、促進(jìn)汽泡從加熱壁表面脫離和新汽泡的產(chǎn)生以及降低受限汽泡的長(zhǎng)度，另外超聲波強(qiáng)化換熱性能與熱流密度和超聲工作頻率負(fù)相關(guān)，而與超聲功率和輻射角度正相關(guān).這些研究發(fā)現(xiàn)不僅證實(shí)了超聲波可以有效地強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱，而且強(qiáng)調(diào)了微通道熱沉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于流動(dòng)沸騰換熱的性能至關(guān)重要.

圖7 (a) 基于微加熱器和溫度傳感器陣列的微室流動(dòng)沸騰超聲波強(qiáng)化換熱實(shí)驗(yàn)裝置[76]；(b) 聲場(chǎng)垂直于流動(dòng)方向的流動(dòng)沸騰換熱強(qiáng)化微通道熱沉[77]；(c) 聲場(chǎng)平行于流動(dòng)方向的流動(dòng)沸騰換熱強(qiáng)化微通道熱沉[78]Fig.7 (a) Experiment setup in a mini chamber demonstrating the enhancement of boiling heat transfer under ultrasound fields [76];(b) enhancement of flow boiling heat transfer in a mini-channel heat sink with an acoustic field perpendicular to the flow direction[77];(c) enhancement of flow boiling heat transfer in a mini-channel heat sink with an acoustic field parallel to the flow direction[78]

6 結(jié)論

超聲波技術(shù)以其成本低、使用簡(jiǎn)便、操控靈活、穿透性強(qiáng)和無(wú)污染等特點(diǎn)在近年來(lái)引起研究者的廣泛關(guān)注，超聲波強(qiáng)化換熱也逐漸成為解決微電子器件冷卻熱管理問(wèn)題最具潛力的方法之一.本文對(duì)超聲波激勵(lì)換熱過(guò)程強(qiáng)化的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，對(duì)超聲波強(qiáng)化換熱的聲空化和聲流效應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了介紹，并將超聲波技術(shù)在單相氣體對(duì)流、單相液體對(duì)流、池沸騰和流動(dòng)沸騰換熱過(guò)程中的理論和實(shí)驗(yàn)研究做了全面總結(jié)和分析.盡管取得了一系列重要的研究成果，但是超聲波強(qiáng)化換熱技術(shù)仍然面臨諸多挑戰(zhàn).下面列舉了存在的一些具體問(wèn)題和未來(lái)潛在的發(fā)展方向，為構(gòu)建高性能和實(shí)用化超聲波換熱體系提供相應(yīng)的參考.

(1) 在超聲換熱的數(shù)值模擬理論分析方面，目前考慮的物理模型仍然相對(duì)較為簡(jiǎn)單，因此不能準(zhǔn)確地反映出實(shí)際的強(qiáng)化換熱效果，未來(lái)的研究需要盡可能地綜合考慮聲-熱-力-流等多物理場(chǎng)環(huán)境下的建模分析，為聲場(chǎng)強(qiáng)化換熱技術(shù)的工程化應(yīng)用提供科學(xué)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持；在超聲換熱的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察方面，現(xiàn)有的研究主要集中在高速顆粒成像測(cè)速技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)，觀測(cè)手段仍然非常單一，為了對(duì)超聲波強(qiáng)化換熱過(guò)程進(jìn)行更精確地分析，亟需發(fā)展并整合新型的可視化測(cè)試手段.

(2) 對(duì)于超聲波強(qiáng)化換熱的機(jī)制，研究者目前主要集中在聲空化和聲流效應(yīng)，對(duì)于其他效應(yīng)（如熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)等）的關(guān)注度很少，而這些效應(yīng)對(duì)于深入地揭示超聲波強(qiáng)化換熱機(jī)理以及高性能超聲波強(qiáng)化換熱裝置的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此未來(lái)的研究應(yīng)對(duì)這些聲效應(yīng)進(jìn)行全面地分析.

(3) 研究證實(shí)超聲換能器的類(lèi)型、工作頻率、功率、作用距離、位置和數(shù)量等都對(duì)換熱性能產(chǎn)生重要的影響，未來(lái)超聲波強(qiáng)化換熱體系的合理設(shè)計(jì)需要對(duì)這些因素進(jìn)行全面的考慮；除了超聲換能器外，不同的實(shí)驗(yàn)條件如工質(zhì)的類(lèi)型、液體過(guò)冷度、換熱管的結(jié)構(gòu)、加熱器的材質(zhì)以及整體實(shí)驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)等都直接影響到超聲波的換熱性能，因此綜合評(píng)價(jià)分析這些實(shí)驗(yàn)條件對(duì)于構(gòu)建高性能熱沉至關(guān)重要.

(4) 大量的超聲波強(qiáng)化換熱理論與實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了超聲波在地面常重力環(huán)境和空間微重力環(huán)境下都可以有效地強(qiáng)化換熱性能，但是現(xiàn)有的研究基本以實(shí)驗(yàn)室階段的基礎(chǔ)研究為主，目前仍無(wú)超聲波換熱技術(shù)工業(yè)級(jí)應(yīng)用的報(bào)道，為了進(jìn)一步挖掘超聲波強(qiáng)化換熱體系的應(yīng)用潛力并推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化，亟需聲學(xué)、機(jī)械、電子和能源等不同學(xué)科的研究者進(jìn)行廣泛交流與合作.