粗糙度对微细通道纳米流体临界热流密度（CHF）和不稳定性的影响

罗小平，李海燕

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

粗糙度对微细通道纳米流体临界热流密度（CHF）和不稳定性的影响

罗小平，李海燕

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

分别以去离子水和质量分数为0.3%的Al2O3-H2O纳米流体为实验工质，在水力直径为1.24mm的矩形微细通道内进行饱和流动沸腾传热实验研究。首先运用酸性抛光技术对矩形微细通道的壁面粗糙度进行处理，再采用SFS法获得壁面粗糙度的显微图像，然后借助MATLAB对图像进行灰度化处理，从而获得粗糙度分别为25.3、38.7、51.2的3种实验矩形微细通道。对比研究了去离子水和0.3%Al2O3-H2O（质量分数）纳米流体在饱和流动沸腾传热过程中不同壁面粗糙度对临界热流密度（CHF）和纳米流体流动不稳定性的影响。研究结果表明：相同工况下，0.3%Al2O3-H2O纳米流体的CHF比去离子水可提高18.37%～226.28%；随着壁面粗糙度的增大，两种工质的CHF均略有增大，但相比去离子水，0.3%Al2O3-H2O纳米流体CHF随壁面粗糙度增大而增大的趋势更为明显；通过对大量实验数据综合评估分析，发现微细通道壁面粗糙度的增大会使微细通道内流体流动的不稳定性增大。

微细通道；纳米流体；表面粗糙度；临界热流密度；不稳定性

随着高新科技的快速发展，在航天航空、微电子机械系统（MEMS）、生物工程等领域，应用传统空气或水冷却系统在微小空间已难以满足高热通量的散热问题，微尺度制冷换热技术自TUCKERMAN等提出后，一直被中外学者广泛研究与应用[1-2]，因此研究高效节能稳定的微细通道换热器具有重要研究意义和应用前景[3]。WANG等[4]应用数值模拟的方法研究表明矩形微细通道相比梯形和三角形微细通道，其热阻和压降最低，最有利于流动沸腾传热。因此本次实验研究选择矩形微细通道。由于临界热流密度（CHF）是流体流动沸腾传热至关重要的限制条件之一，此外微细通道流动沸腾传热的不稳定性严重影响相变传热系统的使用寿命，而粗糙度是影响沸腾传热不可忽略的主要因素之一。因此，本文旨在研究矩形微细通道壁面粗糙度对两相流动沸腾传热的CHF和流体流动不稳定性的影响。

本文作者课题组前期研究了换热工质类型、入口过冷度、出口临界热力学干度、质量流速、外加磁场强度及微通道尺寸等因素对CHF的影响[5-7]，以及热流密度、质量通量和入口过冷度对微细通道流动沸腾压降波动特性的影响，从而评估了系统的不稳定性[8]。KHARANGATE等[9]研究了矩形通道中制冷剂FC-72单面受热和双面受热时流动沸腾的CHF，并进行了可视化观察和相应模型的建立。KIM等[10]研究了CHF的过早发生两相流动沸腾传热系统的不稳定性，得出系统不稳定性通常与剧烈压力振荡相关的结论，并用微通道散热器两相流CHF的实验数据对比评估了基于分离流模型（SFM）和基于均匀平衡模型（HEM）的两种两相临界流模型。BALASUBRAMANIAN等[11-12]研究了直微通道和拓展直微通道系统流动沸腾传热过程中的不稳定性问题。此外已有学者研究了壁面粗糙度对池沸腾传热CHF的影响特性。如QUAN等[13]推出了粗糙度对池沸腾CHF影响的预测模型。KIM等[14]以饱和水为工质，以砂纸打磨的具有不同平均表面粗糙度（Ra在0.041～2.36µm）的铜表面上进行饱和沸腾实验，研究表明CHF随表面粗糙度的增大而增大，在最粗糙的表面（Ra=2.36µm）的CHF为1625kW/m2，大约是在最光滑的表面（Ra=0.041µm）两倍。

由此可见，加热表面粗糙度对沸腾传热过程中不稳定性及CHF值有显著影响。考虑到微细通道内流动沸腾传热过程的复杂性，关于CHF的优化和系统不稳定性的评估研究很大程度上是一个试错过程。因此本文在前人的研究基础上，通过化学抛光方法改变微细通道壁面粗糙度，得到灰度粗糙度分别为25.3、38.7、51.2的3种矩形微细通道。以去离子水和质量分数为0.3%的Al2O3-H2O的纳米流体为工质，在不同粗糙度微细通道内进行流动沸腾传热实验。实验对比研究了去离子水和0.3%Al2O3-H2O纳米流体在沸腾传热过程中壁面粗糙度对临界热流密度CHF的影响，以及粗糙度对纳米流体流动不稳定性的影响。为完善强化CHF的方法和系统不稳定性的因素分析奠定基础。

1 实验系统

1.1 实验平台

微细通道流动沸腾实验系统图如图1所示，系统主要由恒温水箱、水泵、过滤装置、转子流量计、实验段、ADAM-6017数据采集模块、HC3160-HVG4型压力变送器、温度变送器和Pt100热电阻、计算机、除泡器等组成。整个实验系统是一个闭合循环回路系统，实验工质经PID恒温控制仪监控的恒温水箱预热后流入管道，部分工质经主回路过滤装置进入实验段被加热，其流量的大小由水泵和阀门配合调控，同时数据采集仪器将数据实时传输至工控机，从实验段流出的工质经除泡器回到恒温水箱，从而实现主回路的循环过程；另一部分工质经旁回路阀门调节回流至恒温水箱，从而实现旁回路的缓冲作用。

图1 实验系统图

1.2 实验段

铝基矩形微细通道实验段如图2所示。实验段总长250mm、总宽80mm、总高55mm，采用微细电火花切割（MWEDM）加工15条水力直径为1.24mm的3组矩形微细通道，精度等级IT6。微细道道单个通道截面如图3所示，具体参数尺寸见表1。石英玻璃镶嵌在盖板里，高速摄影仪可通过石英玻璃对微细通道内实验工质流动沸腾传热过程进行实时拍摄。基座下设有电加热板并在之间均匀涂抹导热硅脂，加热板的加热功率由调压器调控。为减少热量损失，整个实验段用保温棉包裹，并用铁丝包扎固定。

1.3 微细通道壁面粗糙度的表征

图2 微细通道实验段结构图

图3 单个通道横截面示意图

本实验微细通道壁面的粗糙度处理采用对壁面损耗较小的OY-45A型酸性抛光剂[15-16]，具体步骤为将清洗后的微细通道去除油污，放置在抛光剂中30s（或60s）后再次清水冲洗并晾干，从而获得3种粗糙度不同的微细通道。粗糙度的表征方法有多种[17-18]，主要可通过接触式和非接触式来检测，本文采用对微细通道无损害的非接触法-SFS来检测。如图4所示为图像采集过程。因采集的图像含有噪声，必须经过中值滤波、灰质化等预处理过程，将获得的显微图像用MATLAB进行图像处理[19]，对其进行滤波和角度矫正处理，得到RGB图像，最后计算该采样图像的平均灰度粗糙度，该值默认为微细通道壁面的平均灰度粗糙度，从而以幅度参数均方根偏差δN来表征微细通道的壁面粗糙程度。如图5所示为不同粗糙度的壁面所对应的三维灰度图像，利用显微成像技术获得不同粗糙度下的微细通道壁面原始图像中的图。并计算得到未抛光处理的原始微细通道δN=51.2，第1次抛光处理后的微细通道δN=38.7，第2次处理后的微细通道δN=25.3。

1.4 实验工质的配置及物性参数

0.3%的Al2O3-H2O纳米流体的配置采用二步法[20-21]，加入分散剂（PEG）机械搅拌后并用超声波振荡仪振动3h，以获得均匀稳定的Al2O3-H2O纳米流体，如图6、图7分别为本次实验工质静置24h后的实物图及0.3%的Al2O3-H2O纳米流体的TEM照片，由图可知所配纳米流体相对均匀稳定，且分散性比较好，可用于实验。实验工质的物性参数如表2所示。

2 实验数据处理

图4 图像采集过程流程图

表1 单个通道截面参数尺寸 单位：mm

图5 微细通道壁面三维灰度图

表2 实验工质的热物性参数

为研究壁面粗糙度对微细通道内流动沸腾传热CHF的影响，分别以去离子水和0.3%的Al2O3-H2O纳米流体在3种不同粗糙度的微细通道内进行实验，考虑到CHF一般发生在质量流速较小的时刻，故设定质量流速G的系列值为：43.39kg/(m2•s)、98.78kg/(m2•s)、148.18kg/(m2•s)、197.57kg/(m2•s)、247.00kg/(m2•s)、296.35kg/(m2•s)。采集进出口压力Pin、Pout，进出口温度Tin、Tout，上壁面温度Tu1、Tu2、Tu3、Tu4，下壁面温度Td1、Td2、Td3、Td4，结合基本参数按式(1)、式(2)计算微细通道基座底部上的有效热流密度qeff和单个微细通道两边侧壁和通道底部的平均热流密度qe。实验过程中调节电压，改变热流密度直至进出口温差突然变化，压降波动变大，即意味着CHF的发生，此刻qeff表示临界热流密度值qeff,c。查得铝的热导率λAl为228W/(m·℃)。

图6 静置24h后的实验工质

图7 0.3%Al2O3-H2O纳米流体的TEM照片

为表征壁面粗糙度对沸腾传热过程0.3%Al2O3-H2O纳米流体流动不稳定性的影响。处理实验中所测的进出口压力差值信号，先将压降波动认为是随时间变化的一组离散序列，接着运用数理统计学中的数学期望与标准差对压降波动信号进行定量分析，用期望值表征流体流动的平均程度，用标准差表征其偏离均值的不稳定性程度，以此表征系统的不稳定性。计算公式见式(3)、式(4)，式中N为样本容量，ΔPi为第i个样本值。

2.1 CHF的判定及流动沸腾传热过程的可视化

流动沸腾传热的CHF是否发生可通过实验采集的温度和压力来判定，壁面温度突增，意味着流动沸腾传热方式已从核态沸腾转化为膜态沸腾，即CHF发生；逐步增大热流密度的某一刻压降的幅值并没有较大的变化，但其波动的剧烈程度有所下降，温度基本上在一定值，意味着微细通道内气泡形成气膜，开始阻挡传热即CHF发生；壁面过热度明显变大，意味着在不断加热的过程中产生大量气泡，长大并聚合在一起，产生气膜，脱离泡核沸腾，转入膜态沸腾即CHF发生。壁面过热度可由式(5)、式(6)计算而得，式中TW为微细通道底部的温度，ΔTsat为壁面过热度。

微细通道流动沸腾实验过程中，通过高速摄影仪（型号GV-A001-DM，拍摄频率5130帧/秒）记录微细通道不同工况下的流型。经观察发现0.3%Al2O3-H2O纳米流体和去离子水的流型均是呈周期性变化的，主要以液束环状流、泡状状流、弹状流、厚液膜环状流、液膜蒸干局部干涸、液束环状流再润湿等流型周期循环，循环时间并不一致。如图8所示为0.3%Al2O3-H2O纳米流体在原始微细通道δN=51.2中进行流动沸腾实验过程中各阶段流型图，此外在流型周期循环的过程中，壁面温度随时间变化图如图9所示，由图可知，t=11s时壁温明显增大即意味着局部干涸处已经大面积干涸并发生CHF，此时为了保证实验系统的安全，立即停止实验运行。

2.2 实验误差分析

为保证实验结果的可靠性，进行实验系统误差分析。实验系统中各实验仪器的精度如表3所示。因此对于式(1)中热流密度qeff，根据误差传递理论估算其最大实验仪器误差见式(7)的结果，经实验评估实验段保温层保温棉的热损失大概占整体热量的5%左右。故热流密度qeff的实验误差为式(8) 所得的结果。

图8 流动沸腾传热过程中流型循环图

图9 纳米流体壁面温度随时间变化图

表3 实验数据精度表

3 实验结果分析

3.1 流体介质对CHF的影响

为了对比研究质量分数为0.3%的Al2O3-H2O纳米流体与去离子水对流动沸腾传热CHF的影响，在水力直径为1.24mm的原始微细通道内，相同工况下进行实验研究，如图10所示为其相应的临界热流密度值qeff,c。分析发现相同工况下，0.3%Al2O3-H2O纳米流体的CHF比去离子水的可提高18.37%～226.28%。其主要原因为纳米颗粒的加入可增大导热性和扰动性，可传递热量，使气泡不易在壁面形成气膜，因此达到临界状态需要更高的热流密度；此外流动过程中会有少量纳米颗粒沉积在微细通道壁面，纳米颗粒的沉积会使微细通道壁面接触角减小，改善了加热壁面的亲水性，亲水性好的加热壁面产生气泡直径小、脱离频率快，使气泡脱离时能及时得到液体的补充，因此能有效提高CHF值，这一结论与AHN等[23]的研究结果一致。

图10 流体介质对临界热流密度影响图

3.2 壁面粗糙度对CHF的影响

为了研究粗糙度对两种工质CHF的影响，在水力直径为1.24mm 3种不同粗糙度的微细通道内以去离子水和0.3%的纳米流体为工质进行流动沸腾传热实验，实验结果如图11所示。发现随着粗糙度的变小，去离子水的CHF值有所降低但并不明显，而0.3%纳米流体的CHF则会随着粗糙度变小而较明显的降低。分析原因是当壁面粗糙度减小时，纳米颗粒对壁面的撞击减弱，造成的紊流作用减小，导致换热性能变差，临界热流密度值也变小；另外考虑少量纳米颗粒的沉降使壁面亲水性增强，考虑固体表面的粗糙度对润湿性的影响，引用Wenzel方程式(10)可说明纳米颗粒的少量沉积使亲水性增强进一步使微细通道壁面粗糙度Rf增大，从而使0.3%纳米流体的CHF相比去离子水因粗糙度的减小而更明显的减小。方程中粗糙度Rf定义为固体真实表面积和投影面积之比，显然Rf≥1，且Rf越大，表面越粗糙[24]。

图11 壁面粗糙度对临界热流密度影响图

3.3 壁面粗糙对系统不稳定性的影响。

为了研究壁面粗糙度对矩形微细通道0.3%Al2O3-H2O纳米流体流动沸腾传热系统不稳定性的影响，本实验在质量流速为197.57kg/(m2•s)、热流密度为28.4kW/m2工况下，在水力直径为1.24mm的3种不同粗糙度的微细通道内进行实验，分析压降结果如图12所示。对比分析图12可知，粗糙度为δN=38.7的标准差比δN=25.3的高8%，而粗糙度δN=51.2的标准差比δN=25.3的高52%，壁面粗糙度增大，系统的不稳定性越大。其主要原因为在相同工况下，传热壁面越粗糙，壁面核化点就越多，越有利于气泡的产生，单位时间内大量气泡的长大与破灭增加了流体的扰动性；此外表面粗糙度的加大会对流体的流型产生一定的影响，从而促使流体流动的不稳定性随着壁面粗糙度的增大而增大。

4 结论

对质量分数为0.3%的Al2O3-H2O纳米流体和去离子水为工质，在水力直径为1.24mm，灰度粗糙度分别为25.3、38.7、51.2的3种矩形微通道进行饱和流动沸腾传热实验，分析了有无纳米颗粒对临界热流密度的影响，对比研究了两种工质在沸腾传热过程中壁面粗糙度对临界热流密度CHF的影响，并定量评估了粗糙度对流体流动不稳定性的影响。得出以下结论。

图12 3种壁面粗糙度下流体流动不稳定性对比图

（1）与去离子水相比，0.3%Al2O3-H2O纳米流体的CHF可提高18.37%～226.28%。其主要原因是纳米颗粒的加入增大了导热性和扰动性，使气膜不易形成；同时少量纳米颗粒的沉积使壁面亲水性增强，气泡脱离直径减小，脱离频率增大，从而使CHF延迟。

（2）在相同工况下，临界热流密度随壁面粗糙度的增大的而略有增大，但总体而言增大趋势并不明显。0.3%Al2O3-H2O纳米流体CHF的趋势相比去离子水略为明显，其原因有壁面粗糙度越大，对纳米颗粒的撞击作用越明显，此外少量纳米颗粒的沉积可进一步加大局部粗糙度，从而使0.3%纳米流体的CHF比相去离子水因粗糙度的增大而增大略微明显。

（3）0.3%Al2O3-H2O纳米流体的流体流动的不稳定性随着壁面粗糙度的增大而增大。且相比粗糙度值δN=25.3的压降标准差，粗糙度为δN=38.7的比其高8%，粗糙度δN=51.2的标准差比其高52%，故而粗糙度对微细通道流动沸腾传热不稳定性的影响不可忽视。

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Effect of surface roughness on nanofluid critical heat fluxes (CHF) in rectangular microchannels and instability

LUO Xiaoping，LI Haiyan
（School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Saturated flow boiling heat transfer in rectangular microchannels with a hydraulic diameter of 1.24mm was experimentally investigated. Deionized water and 0.3% Al2O3-H2O nanofluid were selected respectively as the working fluids. Rectangular microchannels’ surface roughness was disposed firstly by acidic polishing process，further sonic frequency system（SFS） method was adopted to obtain the microscopic images of surface roughness，and then these images were gray-scale processing by means of MATLAB. Accordingly，three experimental rectangular microchannels whose surface roughness was 25.3、38.7 and 51.2 respectively were acquired. Contrastive study on the effect of different surface roughness on nanofluid critical heat fluxes（CHF）and instability in the process of saturated flow boiling heat transfer of deionized water and 0.3%Al2O3-H2O nanofluid was carried out.Results indicated that under the same experimental conditions，the CHF of 0.3% Al2O3-H2O nanofluid can be increased by 18.37%—226.28% than deionized water. With the increase of surface roughness，the CHF of both of them increases slightly，but the rising tendency of 0.3%Al2O3-H2O nanofluid shows more obvious.Through the comprehensive evaluation and analysis of massive experimental data，it was found that the increase of microchannels’ surface roughness can make the instability of fluid in the microchannels increase.

microchannel；nanofluid；surface roughness；critical heat fluxes（CHF）；instability

TK124

A

1000–6613（2017）11–3947–08

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0523

2017-03-28；修改稿日期2017-05-05。

国家自然科学基金项目（21776096）。

及联系人：罗小平（1967—），男，教授，主要从事微尺度相变传热研究。E-mail mmxpluo@scut.edu.cn。