低流量下阵列式微通道对流沸腾特性实验研究

耑 锐 李红兵 王 文 张 亮

(1上海宇航系统工程研究所 上海 201108)(2上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

低流量下阵列式微通道对流沸腾特性实验研究

耑 锐1李红兵1王 文2张 亮1

(1上海宇航系统工程研究所 上海 201108)(2上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240)

设计了阵列式微通道热沉结构，进行了并R134a的沸腾流动换热实验。结果证明，在低干度区域由泡状流/弹状流/半环状流主导，主导换热机理为对流沸腾和蒸发，热交换系数随热流密度显著增加，随质量流量增大而略有增加。在高干度区域搅拌流/束状流主导沸腾流动，对流蒸发为主导换热机理，换热系数随流量增大而增大。该结构可以在低流量下提前紊流转捩；有效抑制压力波动，减小进出口压力差。实验观察发现搅拌流/束状流型，气液界面波失稳导致液膜破碎和卷携。液滴沉积会润湿局部蒸干壁面。当热流持续增大，液膜破碎并大量被卷携入气核后，壁面附着气膜且无法被润湿，形成反束状流型时，触发CHF。

微通道 沸腾换热 临界热流 阵列结构 压力波动 界面波

1 引 言

微通道内流动沸腾传热在国防，电子散热和航天领域有重要应用价值，但仍存在一些关键技术问题。例如，微通道两相流动换热的不稳定性，流量分配不均匀性和两相压降过大等。首先，两相流动换热不稳定性是普遍关注的问题，通常表现为微通道进出口压力、质量流量和通道壁温的周期性波动。Qu和Mudawar[1]认为平行通道压力降的不稳定性，是通道内气泡成核和系统可压缩容积之间相互作用的结果，振幅较大。Mukherjee和Kandlikar[2]认为两种因素导致两相流动的返流，一种是弹状气泡沿通道长度方向的长速远远大于进口液体入流速度，因而相界面向进口移动。第二种是弹状气泡的高速成长在上游行成高的压头，导致液体返流。第一种可以通过增加液体流量消除，第二种通过设计进口限制减弱。Qu和Ho[3]进行了去离子水在横截面尺寸为200×200 μm2，高度为670 μm的微针肋式通道内的流动沸腾实验。和平行微通道热沉相比，微针肋式微通道热沉进口压力的波动明显减弱。尽管两种通道结构尺寸有差异，试验结果还是证明微针肋热沉沸腾流动稳定性好于平行通道。Krishnamurthy和Peles[4]设计了250 μm高，直径100 μm 微针肋式通道，并考虑了进口限制，进行了水的流动沸腾实验。结果表明进口限制避免了流动不稳定性。

实验观察认为对于饱和沸腾环状流，有两种壁面蒸干机理会触发临界热流[5]。第一种蒸干机理，环状流液膜蒸干，气相接触壁面，热交换系数迅速下降，壁温迅速升高。此类情况通常是在低流量下，干度x=1时触发CHF。另一类蒸干机理是环状流气核内气相剪切力克服表面张力，导致气液界面波失稳，将液膜从壁面移走，触发CHF。例如，Zhang 和 Mudawar[6]述了界面波的不稳定性导致小通道内壁面蒸干以及触发CHF。Qu 和 Abel[7]分析了微针肋环状流换热，环状流气核中卷挟了大量液滴，使得壁面蒸干与再润湿交替出现。Revellin[8]实验观察到环状流气液界面波动失稳，导致液膜破裂和壁面局部蒸干，标志着CHF的出现。Revellin 和 Thome[5]针对实验观察分析认为，对于高热流高流量下的环状流，如果界面波波高大于液膜厚度，界面波谷接触到壁面，会出现壁面蒸干现象。此时平均液膜厚度仍然大于0，且出口干度小于1，但是沸腾换热已经达到CHF。

本研究通过实验分析微通道阵列内R134a的流动沸腾换热特性和流动稳定性，发展微通道阵列内R134a在低流量下的流动沸腾换热关联式；探讨低流量下阵列式微通道紊流的提前转捩与对流沸腾的关联性；揭示阵列微通道对流沸腾条件下蒸干型临界热流的形成机理。为微通道热沉的工程应用提供设计参考。

2 实验系统

微通道换热器主要3大部件如图1所示。主要包括有机玻璃盖板， PEEK(聚醚醚酮)微通道换热板(R134a通道)和POM(聚甲醛)循环水槽道底座(去离子循环水流入)。如图2所示，实验系统包括制冷剂循环系统，去离子水循环系统和数据采集系统。制冷剂循环系统主要由恒温槽，制冷剂提供罐、回收罐、过滤器、流量计、压力传感器、温度传感器、温控器、电加热预热段、微通道蒸发器和调节阀组成。去离子水循环系统主要包括恒温槽、控制阀门、量筒、秒表及连接管路等设备。数据采集系统包括计算机数据采集软件、数据采集仪和各种传感器，可直接测量的参数包括温度、压力和质量流量等。

图1 微通道换热器结构图Fig.1 Configuration of micro-channel heat sink

图2 微通道流动沸腾换热实验系统Fig.2 Test Setup of micro-channel flow boiling heat transfer

实验在进行时，将漏热控制在较低水平是实现实验可靠性的关键之一。实验数据表明去离子水侧和R134a侧能量基本平衡，两侧热量测量的最大误差小于5% ，这就达到了热平衡的目的。

3 结果讨论

3.1 沸腾流型和沸腾曲线

图3(a)显示微通道核沸腾中气泡的成长与流动，流动稳定。图3(b)中,随着热流增大，流型由泡状流/受限弹状流转变为半环状流。由于液桥作用力在气液相界面稳定中起到显著稳定作用，液膜并未受惯性力和气相剪切力影响而出现波动，此时半环状流动较为稳定。图3(c)中，随着热流持续增大，环状流气核内气相流速明显增大，此时气相剪切力克服表面张力和壁面粘附力，扰动气液相界面，使得液膜波动增强，紊流转捩特征明显。图中可以看到，部分液膜被气相卷携并脱离壁面，然后，由于肋根壁黏附效应，卷携入气核的液滴再次沉积于肋壁的周围形成液膜，因而，环状流转变成束状流/搅拌流。最后，当热流进一步增大后，更多液膜被气相卷入气核，壁面出现局部蒸干并且不能再润湿，换热恶化。

图3 沸腾流型G=23 kg/m2 s, Tin=13. 5 ℃, Pin,m=683 405 PaFig.3 Flow pattern G=23 kg/m2s, Tin=13. 5 ℃, Pin,m=683 405 Pa

表1显示了气核流动剪切应变率对加长气泡尺寸的影响。气相剪切应变率随着热流量的增大而增加，导致气液相界面受到的剪切力增大。此时，环状气泡液膜波动，气核颈缩现象出现，颈部断裂，液滴被卷入气核。因此，气液环状液膜的波动振幅随着剪切力的增大而增加，界面波失稳之后，液膜破碎，气液掺混，形成搅拌流/束状流/环状流交替流型。表1的数据验证了图3的实验观察结果。

表1 应变率对气泡尺寸的作用Table 1 Effects of strain rates on bubble sizes

图4显示不同进口过冷度下沸腾曲线。在单相区域，壁面过余温度等于壁温减去流体平均温度；在两相流动区域，壁面过余温度就等于过热度。沸腾曲线斜率在ONB触发之后增大。由于单相流动平均流体温度低于饱和温度，所以ONB触发之后会出现壁面过余温度的降低。高热流密度区域由束状流和搅拌流主导。在束状流和搅拌流区域，当热流增大到一定值后，壁面蒸干区域增多，出现层状或者团状气膜附着于壁面，并且气膜区域无法被液滴再润湿，此时壁温迅速升高，换热恶化，标志着蒸干型CHF的出现。此时为典型的反环状流和束状流型，壁面气膜形成的周期性界面波动中，主流区液滴无法接触到壁面，气液界面波波谷脱离壁面，壁温迅速升高，触发CHF。

图4 沸腾曲线G=33 kg/m2sFig.4 Boiling curve: G=33 kg/m2s

3.2 沸腾换热系数和压力波动

图5为沸腾换热系数随出口干度的变化关系。在低干度区域，对流沸腾和蒸发主导换热，两相换热系数随干度增加而增大。如图3a所示，该区域由泡状流/弹状流主导，气泡成核与成长主要受热流控制，略微受质量流量影响。在高干度下，热交换由对流蒸发主导，热交换系数随干度变化达到峰值之后开始下降，换热系数不依赖于热流而适度依赖于质量流量。如图4c所示，高干度区域由束状流/搅拌流主导，液膜被气相卷携脱离壁面后在沉积润湿壁面，因而该区域由对流蒸发主导两相换热。因此，根据沸腾换热特性将阵列式为通道内沸腾流动分为两个区域：低干度下的对流沸腾和蒸发区域，以及高干度下的对流蒸发区域，如图5所示。

图5 换热系数随干度变化趋势Fig.5 Distribution shape of heat transfer coefficient versus vapor quality

由图3—5可以看出，阵列式微通道内沸腾流型以环状流，束状流/搅拌流主导，而泡状流/弹状流仅占据较小的低干度区域。同时，也可以总结出壁面蒸干机理：由于高热流密度下气核速度增大，气液相界面剪切力很大，导致气液界面波失稳，液膜断裂并部分卷入气核，壁面蒸干，触发CHF。此时平均液膜厚度仍然大于0，且出口干度小于1。这在文献[6-8]的实验中也得到验证。

针对低质量流量下微通道阵列式热沉，本文针对两种区域提出两种不同关联式来预测换热系数。对于对流沸腾和蒸发区域，引入Lockhart Martinelli(φL)摩擦因子，Weber数(We)和Boiling数(Bl)，考虑热流、惯性力和表面张力作用。

(1)

其中:

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

在对流蒸发区域，关联式为：

(7)

(8)

式中：Bl为Weber数；Dch为当量直径，m；G为质量流量，kg/s；Hsp为单相换热系数，(W/m2K)；Htp为两相换热系数，(W/m2K)；kf为导热系数，W/m K；Pr为普朗特数；q为热流，(W/cm2)；Re为Reynolds数；We为Boiling数；xe为出口干度；Xvv为Martinelli参数；φl为 Lockhart-Martinelli摩擦因子；μ为动力黏度，kg /ms ；ρ为密度，(kg/m3)；σ为表面张力系数；v为运动粘度，m2/s。

新的关联式和实验数据对比结果，对流沸腾和蒸发区MAE=0.077，对流沸腾区MAE=0.109。

图6显示了不同流型下进出口压力的波动。图6(a)显示弹状流/半环状流区域，压力的脉动呈现短周期特性。图6(b)显示进入搅拌流/束状流区域，而由于可压缩容积的增大，压力脉动出现长周期特性。相对于平行通道沸腾换热流动，本文中阵列式微通道进出口压降有明显减小，并且压力波动振幅较低。

图6 微通道进出口压力波动Fig.6 Pressure fluctuations at inlet and outlet of micro-channels

4 小 结

针对阵列式微通道热沉，进行了R134a的低质量流量沸腾流动实验。微通道0.5 mm宽，0.15 mm深。肋尺寸1.5 mm宽，0.15 mm深，3.5 mm长。质量流量范围为10—35 kg/m2s，进口过冷度为1—16 ℃，进口压力为0.39—0.83 MPa。

在低干度区域由泡状流/弹状流/半环状流主导，主导换热机理为对流沸腾和蒸发，热交换系数随热流密度显著增加，随质量流量增大而略有增加。进口高过冷度提高了热交换率。在高干度区域环状流/搅拌流/束状流主导沸腾流动，对流蒸发为主导换热机理，换热系数独立于热流，随干度增加而下降，并随流量增大而增大。

实验结果证明，当环状流气核速度较大时，气液相界面剪切力克服张力和壁面粘附力，导致气液界面波失稳，使得壁面液膜破碎成液滴，并被气相卷挟进入气核，形成环状流/束状流；随后，气核内的液滴沉积在壁面，可以再次润湿蒸干区域，因此，对流蒸发主导高干度区域换热。此外，临界热流与气液界面波的不稳定性密切相关。高热流密度下气相高剪切力导致界面波失稳后，液膜破碎并大量脱离壁面，当壁面局部蒸干增多且无法被再次润湿时，壁面附着层状或者团状气膜，壁温迅速升高，预示蒸干型临界热流CHF出现。因此，高热流下气液界面波动失稳，壁面附着气膜且无法被润湿，形成反束状流型时，触发了CHF。

实验结果表明，阵列式微通道结构在低流量下可以导致紊流提前转捩，以对流沸腾和蒸发主导沸腾换热机理；可有效抑制压力波动，减小进出口压力差。

1 Qu W A, Mudawar I. Transport phenomena in two-phase micro-channel heat sinks [J]. Journal of Electronic Packaging,2004,126(2):135-147.

2 Mukherjee A, Kandlikar S G. The effect of inlet constriction on bubble growth during flow boiling in micro-channels [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009,52: 5204-5212.

3 Qu W L, Abel S H. Measurement and prediction of pressure drop in a two-phase micro-pin-fin heat sink [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009,52: 5173-5184.

4 Krishnamurthy S, Peles Y. Flow boiling of water in a circular staggered micro-pin-fin heat sink [J]. Int. J. Heat Mass Transfer, 2008,51 (5-6) : 1349-1364.

5 Rémi Revellin, John R Thome. A theoretical model for the prediction of the critical heat flux in heated microchannels[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2008,51: 1216-1225.

6 Hui Zhang, Issam Mudawar, Mohammad M Hasan. Experimental assessment of the effects of body force, surface tension force, and inertia on flow boiling CHF[J]. International Journal of Heat Mass Transfer, 2002, 45: 4079-4095.

7 Qu W L, Abel S H. Experimental study of saturated flow boiling heat transfer in an array of staggered micro-pin-fins[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2009,52: 1853-1863.

8 Revellin R. Experimental two-phase fluid flow in microchannels[D]. Ecole polytechnique Fédérale de Lausanne, 2005.

《低温工程》编辑部邀请美国低温专家开展学术交流活动

2016年6月7日，《低温工程》编辑部特邀国际著名低温学专家、美国威斯康辛大学教授、我刊外籍编委约翰 M．弗顿豪威尔(John M. Pfotenhauer)到我刊主办单位北京航天试验技术研究所开展学术交流活动。约翰教授为北京航天试验技术研究所科研人员做了主题为《美国威斯康辛大学麦迪逊分校低温学术研究活动》的学术报告，重点介绍了美国威斯康辛大学麦迪逊分校目前正在承担及开展的制冷、超导实验、低温介质储存、低温医学等学术及工程研究项目，以及该校低温学术研究团队在传热学、热力学领域的最新创新研究情况。北京航天试验技术研究所40多名科研人员到场聆听了学术报告，并就低温领域学术问题与约翰教授进行了现场交流。

北京航天试验技术研究所常务副所长、《低温工程》主编杨思锋主持了学术报告会，并在报告会前与约翰教授进行了会谈，双方就今后进一步加强学术交流与合作，以及促进《低温工程》期刊国际化等工作进行了深入探讨。

约翰 M．弗顿豪威尔教授为美国俄勒冈大学物理系博士，其任职的美国威斯康星大学有着超过150年的历史，是美国最顶尖的三所公立大学之一，也是美国最顶尖的十所研究型大学之一。作为国际著名的超导及低温应用专家，约翰教授在低温制冷机的研究和应用领域取得过很多突出成绩，享有较高声誉。他现任美国低温协会委员会委员、美国低温工程大会理事会成员、Cryogenics期刊国际编辑顾问委员会委员、美国低温学会期刊ColdFacts编委，2016年1月被我刊正式聘任为首位外籍编委。

(文/王克军，摄/叶莉)

Experimental study of convective boiling characteristics at low mass flow rates in a micro-channel array heat sink

Zhuan Rui1Li Hongbing1Wang Wen2Zhang Liang1

(1Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201108, China)(2Refrigeration and Hypothermia Institute of Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

An array structure was used in micro-channel heat sink design and the boiling flow experiments of R134a were conducted. The test results demonstrat that at low vapor qualities, the flow patterns were bubbly/slug/semi-annular flow, where the boiling flow was dominated by convective boiling and evaporation; the heat transfer coefficients increased significantly with the heat flux and slightly rose with the mass flow rates. At the high vapor qualities, the flow patterns were wispy/churn flow, where the boiling flow was dominated by convective evaporation and the heat transfer coefficients increased with the mass flow rates. This array structure could advance the transition from laminar to turbulent flow, depress the pressure fluctuations and decrease the pressure drop. In churn/wispy flow, the instability of vapor-liquid interfacial wave caused the liquid film breakup and entrainment; the liquid drops deposit at the wall could rewet the dry-out region. When the heat flux increased enough, a lot of breakup liquid film was entrained into the vapor core, the vapor blankets covered the wall and the dry-out region could not be rewetted; therefore the reverse wispy flow appeared, which initiated the CHF.

micro-channel; boiling heat transfer; critical heat flux; array structure; pressure fluctuation; interfacial wave

2016-03-24；

2016-06-06

国家自然科学基金青年基金的资助(资助号：51206110)。

耑 锐，女，44岁，博士，高级工程师。

TB66

A

1000-6516(2016)03-0035-06