自湿润流体的流动与传热特性研究进展

胡艳鑫，黄凯鑫，陈思旭，汪双凤，黄金

自湿润流体的流动与传热特性研究进展

胡艳鑫1，黄凯鑫1，陈思旭1，汪双凤2，黄金1

（1广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510640；2华南理工大学化学与化工学院，广东广州 510640）

自湿润流体是指某些具有自发润湿高温端特性的非共沸的混合溶液。这类溶液各组分的沸点不同，易挥发的组分优先发生沸腾，优先沸腾的组分在气液界面引起组分浓度梯度，再由组分的浓度梯度引起表面张力梯度；同时在气液界面产生温度梯度即热毛细作用也引起了表面张力梯度。由于受到双重表面张力梯度的影响，该溶液高温区域与低温区域之间产生了一股较大的推动力，从而使液体自发地向高温区域流动，湿润烧干部位，增强了沸腾传热。本文对自湿润流体流动与传热特性的相关研究现状及发展动态进行综述，首先详细介绍了单组分流体以及多组分流体强化传热的机理，并进一步介绍了自湿润流体的传热机理。然后对自湿润流体的制备以及自湿润流体的流动与传热特性等进行描述。最后综述了自湿润流体在无毛细芯结构、不同倾斜角下、微重力条件下以及其他类型的热管中的应用。

自湿润流体；传热机理；Marangoni作用；表面张力；可视化研究

近年来，科学技术在电子工业方面的迅猛发展，使微电子技术在信息技术中扮演着越来越重要的角色，在各个方面都得到了广泛的应用。但电子设备的发热量随着高速、高频化而逐渐增加。同时，小型化部件越来越多地使用大规模集成电路而愈发趋向于高密度装配，集成化已经成为发展趋势。单位容积的发热量逐年增大，电子元件在这种恶劣的工况环境下，其功能和使用寿命将收到严重影响。特别是芯片特征尺寸在四十年间缩小了140倍，工作速度提高了1.5倍，工艺线宽缩小了大约30%[1-2]。这些都对电子元件的工作温度条件提出了越来越高的要求。电子元件随工作温度升高故障发生率增长越来越快。当温度每升高10℃时，半导体元件的系统可靠性将降低50%。据统计，由温度过高引起的电子设备失效超过了55％[3]。因此，电子器件的散热以及温度分布均匀性等问题就显得尤为重要[4]。传统散热技术的散热能力已趋于极限，而且温度控制的精确度较低，响应时间较长，已经无法满足高性能微电子芯片的散热冷却与温度控制要求[5]。而热管因为可以满足电子电器设备对散热装置紧凑、可靠、控制灵活、高散热效率、不需要维修等要求，目前已被广泛应用在电气设备散热、电子器件冷却、半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面。

工质在一般情况下，能满足热管的应用需求。但在某些特定工况条件下，如微重力条件下、放置位置水平以及无毛细结构时，由于驱动力不足导致工质不能及时流回加热段，热管内部出现局部烧干现象，从而大大削弱热管的传热性能，影响其性能和使用寿命。近年来不少学者研究了不同种类地热管工质，如微胶囊流体、纳米流体以及多元混合工质等。其中自湿润流体因为具有当温度达到一定值之后表面张力随温度的升而增大的不同寻常地特性，从而产生推动力促使液体工质自发从低温区域回流润湿高温区域，增强了沸腾传热。作为沸腾传热的理想工质，自湿润流体成为了研究重点。

大多数流体中的表面张力随温度的升高而逐渐下降，然而某些特定的流体（如熔融状态下的SiO2、GeO2、B2O3[6]）却呈现出相反的特性。这些流体的表面张力开始先随温度升高而下降，当温度升温到某一特定值时，将随温度上升而增大[7]。高碳链醇水溶液正是由于其不同寻常的表面张力随温度的变化特性而成为研究热点。ZHANG和CHAO[8]发现当高碳醇水溶液的温度超过某一特定值时，其表面张力随温度升高而增大。这种不寻常的特性会产生一种促进气泡分离的推动力，从而增强沸腾传热。在微重力条件下，拥有这种特性的溶液能作为沸腾传热的高效理想工质，从而引起了关注。ABE等[9]在研究某类高碳稀醇水溶液的传热特性时提出了自湿润流体的概念。这类高碳稀醇水溶液由于各组分拥有不同的沸点，易挥发的组分率先沸腾，从而在气液界面处引起了组分浓度梯度，再由此引起表面张力梯度；同时在气液界面产生温度梯度，引起热毛细作用产生表面张力梯度。因此在双重表面张力梯度的影响下，一股较大的推动力存在于溶液高温区域与低温区域之间，使液体由低温区域自发地流向高温区域，湿润烧干部位，增强沸腾传热。由前面所述的自湿润流体的特性，当其作为工质时能显著增加沸腾时的烧干极限，提高热输送性能。由此可突破传统工质在某些情况不能正常工作的瓶颈，如在微重力情况或是在工质回流能力不足的情况等。

目前关于自湿润流体传热机理的研究大多数还属于摸索阶段，研究主要集中在对自湿润流体强化传热宏观现象的探究分析。然而自湿润流体的传热特性的传热机理受到的影响不可谓不复杂，因此在微观层面上对其流动现象与传热机理进行进一步的深入研究意义重大，从而为将其应用在更广的散热领域铺平了理论基础的道路，使其传热优势得到淋漓尽致的发挥。对此，本文将对自湿润流体强化传热特性的相关研究现状及发展动态进行综述，为了让大家对自湿润流体有所认识，详细介绍了对自湿润流体传热机理的研究。并进一步介绍了自湿润流体的制备以及流动与传热特性等，最后介绍了自湿润流体作为工质在热管中的应用。

1 自湿润流体沸腾传热机理

通过实验研究，可以发现自湿润流体作为一种新型的强化传热工质，具有很大的潜力。只有进一步深入研究了自湿润流体的微观传热机理，才能更深刻地明白其增强传热效果的原因，从而更好地了解和使用自湿润流体工质。因此下面将对单组分溶液、多组分溶液以及自湿润流体的传热机理进行分析比较。

1.1 单组分流体

单组分流体中绝大部分的液体表面张力随温度梯度的变化逐渐减小，由于温度越高表面张力越小的特性产生了温度梯度，引起热毛细作用力驱使液体从高温端流向低温端。如图1所示。许多实验研究指出，由于温度梯度的影响，在气液界面处会引起热毛细作用[10-13]。

图1 单组分流体传热机理图

KIM[14]通过探究池沸腾传热性能的实验发现，在气泡从产生到变大的过程中，其中膨胀变化会产生一股推动力。在气泡脱离后，这种推动力能驱使周围的液体并大大增加周边液体的扰动程度从而强化传热。并且所受到的浮力随气泡增大而增大，当超过某一特定值时，气泡开始往上移动。由于部分烧干，受热面液膜开始出现烧干点，烧干点由于自湿润流体特性会被周边液体再次润湿，并促使气泡脱离。在气泡脱离后，周边液体再次继续补充到加热面进行换热。

对于单组分流体，流体受热沸腾时的传热机理可总结为以下特点：

（1）热毛细力三相界面处推动液体从高温往低温流动；

（2）加热表面的热毛细力的作用约束了气泡的及时脱离；

（3）在加热面与气泡接触的三相界面处，不断有液体补充。

因此由上面的机理分析可知，热毛细力作用在单组分流体沸腾时会恶化其传热性能。因此如果能够使热毛细力的作用力方向与单组分流体沸腾时相反，则将大大强化其沸腾换热效果。

1.2 多组分流体

一些普遍共同的沸腾机理依然适用于多组分流体的研究。但与单组分流体对比，非共沸的混合溶液的沸腾传热机理具有本质上的不同点。在气液交界处，因为浓度梯度而产生的Marangoni流动在传热中占有不容忽视甚至是很重要的地位[15-18]。如图2所示，以多碳醇溶液为例，水是表面张力更大且不易挥发的组分。当受热时，液膜越薄的地方升温越快，位置1处具有更高的温度。而位置1处具有表面张力更小且更易挥发的多碳醇组分，因此位置1处的组分优先挥发，使得位置1处与位置2处产生浓度梯度，推动溶液从位置2处往位置1处流动，即使溶液从低温处往高温处流动，因此减缓了烧干现象从而强化了传热。

图2 多组分流体传热机理图

近年来，已有不少关于多组分溶液的沸腾研究。OKA等[19]通过透明加热块对乙醇水溶液进行沸腾特性的可视化研究，并观察气泡与加热块接触边沿的现象。由观察可知，当加热混合水溶液时，加热块与气泡之间的液膜厚度与加热单组分溶液时相比更厚。气泡周围的液体向加热块与气泡的接触面流动，由此推动气泡脱离加热面。

KURAMAE和SUZUKI[20]将乙醇水溶液注入部分透明管进行加热，观察到有液体沿着管内壁自发从冷凝段向加热段回流。他们指出，由于非共沸的乙醇水溶液优先挥发，导致加热段浓度更稀，因此在两端产生浓度梯度引起Maragoni作用，推动了液体自发回流至加热段。

从以上研究可知，多组分流体由于其非共沸混合溶液的沸腾传热机理与单组分流体不同，从而产生了浓度梯度，并由浓度梯度产生的热毛细作用促使溶液从低温区域回流至高温区域，有效延缓了烧干现象的发生，强化了传热。

1.3 自湿润流体

表面张力随温度变化的不同于一般工质的特性使自湿润流体拥有能自发润湿高温区域的特点，因此在传热中起到了重要的作用。其实早在一个世纪前，大众已经普遍认识了热毛细对流现象，但由于当时重力作用下的浮力引起流动的学说占据着主导的地位，因而并没有太多学者展开对表面张力的细致深入研究。TREFERHEN[21]与MCGREW[22]等分别在1961年与1966年指出，表面张力在对流换热中起着重要的作用。由此引起人们对表面张力的进一步关注。自湿润流体由于表面张力随温度的增加呈上升趋势的的特性，与传统工质相比多了一股增强液体工质往热端回流的推动力，强化了传热。因此对自湿润流体表面张力的研究是有意义也是很有必要的。VOCHTEN和PETER[23]通过测量高碳醇水溶液在不同温度下的表面张力，发现高碳链稀醇水溶液的表面张力在某一特定温度下会有一个最小值，超过这个特定值后，表面张力的值随温度的升高而增大。为了更好地认识表面张力随温度变化的特性，如图3所示，HU等[24]对不同浓度的庚醇水溶液的表面张力进行了测量，发现随温度增加，表面张力是非线性变化。在温度达到一个特定值之后，表面张力随温度增加而增加。这种非线性的特点使得溶液能自发润湿高温区域，从而有效阻止了烧干现象增强传热。

图3 不同温度下庚醇水溶液的表面张力图[24]

由于非共沸溶液产生的浓度梯度强化了自湿润流体的传热，同时又由温度梯度产生的热毛细力作用，驱使液体从低温区域回流到高温区域，这样自湿润流体通过双重的热毛细力作用强化了换热。如图4所示，对自湿润流体进行加热时，由于稀醇水溶液各组分拥有不同的沸点，易挥发的组分率先发生沸腾，在气液界面处率先沸腾的组分引起了组分浓度梯度变化。自湿润流体在低浓度时有着更大的表面张力，由于位置2处的溶液浓度高于位置1，因此溶液自发地从低温区域往高温区域流动；气液界面处产生的温度梯度也产生了表面张力梯度，位置1处随温度增高，其表面张力更大，从而也使液体自发地从低温区域流向高温区域。该溶液在双重表面张力梯度的影响下，低温区域与高温区域之间产生了一股较大的驱动力，使液体自发地回流到高温区域，湿润烧干部分，增强了沸腾传热。

图4 自湿润流体传热机理图

对于自湿润流体的研究，ABE[25]利用示踪粒子对质量分数为1.5%的丁醇水溶液与20%的乙醇水溶液受热后的流动现象进行了观察。观察结果表明，受热后丁醇水溶液与乙醇水溶液都产生了使液体从冷端往热端流动的推动力，但丁醇水溶液所产生的流体流动速度达到了15mm/s，而乙醇水溶液的流动速度只有0.7mm/s，因此前者的流动速度是后者的20倍以上。由此可知，与一般的混合溶液相比，自湿润流体能够产生更强烈的流动流向气泡成核点，有效延缓了烧干，强化传热。

CECERE等[26]运用用CCD摄影仪记录了质量分数为0.2%的庚醇水溶液、5%的丁醇水溶液、乙醇水溶液和水里的示踪粒子的流动轨迹。观察结果表明，单组分液体（乙醇和水）的示踪粒子在加热时流向冷端，而自湿润流体（0.2%的庚醇水溶液和5%的丁醇水溶液）的示踪粒子在加热时流向热端。自湿润流体与一般流体截然相反的流向使得液体能自发润湿热端，从而强化传热。

由于具有不同寻常的表面张力特性，使得自湿润流体拥有一般流体不具备的优势，从而能在双重表面张力梯度的影响下比较明显地强化传热。因此在传热领域，对自湿润流体的研究具有重要的意义。

2 自湿润流体的制备

制备自湿润流体是研究自湿润流体之前的第一步，同时也是关键的一步。当对多组分溶液进行加热时，在气液界面会产生由浓度梯度引起的Marangoni作用力与热毛细作用引起的Marangoni作用力。这两种Marangoni作用力使流体流向热端或流向冷端。当这两种驱动力的方向都为从高温区域到低温区域时，将能使流体的换热最大限度地被增强。因此以表面张力作为关键因素来配制自湿润流体，选取自湿润流体的组分。由于不同浓度的混合溶液所表现出来的表面张力特性有较大差别，故溶液各组分的不同浓度也需要加以以研究。

SAVINO等[27]测试了质量分数为5%的丁醇水溶液、0.2%的庚醇水溶液、5%的丁醇甲酸钾（FP40）溶液与0.2%的庚醇甲酸钾溶液的热物性。测试结果表明，甲酸钾自湿润流体随温度升高所表现出的表面张力上升变化速度更大。该溶液受热时在气液界面处能产生更强烈的Marangoni作用，大大强化了沸腾传热。接着分别测试了各种自湿润流体的接触角和导热系数。实验结果表明，与水和甲酸钾相比，制备出的自湿润流体溶液的接触角明显降低，表明其润湿效果更好，而导热系数则变化不大。然后他们往银纳米流体中加入少量的丁醇，制备出自湿润纳米流体。通过测试表明，加入纳米粒子的自湿润流体，其导热系数得到明显强化。

近年来，关于其他种类的自湿润流体的研究越来越多。DI PAOLA等[28]往醇水溶液中加入单壁纳米角质物（SWNH），形成了自湿润纳米流体。他们分别测试了随温度变化的表面张力的变化趋势和其导热系数。并将自湿润纳米流体应用到热管中与一般的自湿润流体和水进行了传热性能的比较。实验结果表明，同一般的自湿润流体相比，自湿润纳米流体拥有更好的自湿润特性和导热能力，拥有作为热管的新型高效工质的潜力。

虽然通过目前不少对自湿润流体的研究，已经发现了一部分具有拥有非同寻常的表面张力特性的溶液，但主要集中在长碳链的稀醇水溶液以及与其他溶液的混合。因此有必要探索其他拥有自湿润特性的工质，从而丰富自湿润流体的类型种类，扩展该类工质的范围，使得能适应多种工况环境和特殊条件，应用于更广阔的散热领域。

3 自湿润流体的流动与传热特性

从自湿润流体的传热机理中不难发现其强化传热的潜力，但在流体的流动与传热过程中，还与流体其他特性密切相关。为了了解自湿润流体在流动与传热过程中的特性，研究者通过一系列的可视化观察手段与沸腾实验对自湿润流体进行了更深入的研究。

3.1 自湿润流体的可视化实验

可视化实验能够直观简明地揭示流体流动的一些传热特性和气泡变化情况。因此SAVINO等[29]通过给外径8mm、内径5mm以及长160mm的玻璃管内注入乙醇与自湿润流体（质量分数为0.1%庚醇水溶液）来进行可视化实验。在玻璃管内的溶液中间留有一个小气，通过在玻璃管的一端缠绕上电阻丝来加热溶液，使温度逐渐上升，从而观察小气泡在管内的流动情况。观察现象可知，在注入的工质为乙醇时，随温度上升，小气泡逐渐流向加热部分。然而当注入的工质是自湿润流体时，小气泡先是往靠近加热部分的方向移动了一段距离，然后反向逐渐向远离加热端的方向移动。他们指出，随温度上升，当使用乙醇溶液为工质时，受热产生的热毛细力会推动气泡往加热端流动。而当工质为自湿润流体时，在温度加热到特定值后，表面张力达到最小值。其后随温度上升而增大的表面张力梯度形成了推动气泡往冷端区域流动的热毛细力，而液体则是往热端区域流动。由于自湿润流体的这种异于寻常工质的传热特性，使得其作为工质时能自发润湿加热端，从而大大减缓了烧干现象的出现时间。

ABE等[9]用干涉测量法分别对CFC-113、20%乙醇水溶液、1.5%丁醇水溶液进行了一系列的微重力下的起泡实验。实验观测结果表明，CFC-113内部受热处产生气泡后，气泡并未迅速分离，气泡周边的流体沿气泡边缘流动，其加热处温度曲线无明显变化。而其他两种流体受热后，随着气泡的生成，能观测到气泡与加热器接触区域周边的液体向接触区域流动，促使气泡分离，其加热处温度曲线发生明显变化。他们认为该类流体由于浓度梯度与温度梯度而产生双重Marangoni作用，使流体自发地从低温区域向高温区域流动，从而增强了换热。

ABE[30]以长165mm、内径10mm的玻璃管作为无芯热管在微重力条件下进行了可视化实验。加热部采用长50mm、透明的ITO加热器，并把热电偶放进玻璃管内壁记录温度变化。通过示踪粒子来观察20%乙醇水溶液、1.5%丁醇水溶液以及纯水3种工质受热后从冷凝部回流到加热部的速度。观测结果表明，自湿润流体工质的回流速度明显快于水，并且热管能顺利启动，冷凝部温度与加热部温度的温差较小，温度分布较为均匀；当水作为工质时，由于水不具有及时从冷凝部回流到加热部的特性，加热部的温度不断升高，从而影响了传热性能。

近年来，铂丝越来越多地被用于可视化实验中进行观察。MOROVATI等[31]将丁醇溶液与水应用在带玻璃窗的不锈钢容器，并通过水平放置的悬浮铂丝进行可视化实验观察其现象。观察结果表明，一些气泡在从加热丝上破裂后向上升之前是先下沉的。对此他们给出了可能的原因，认为可能是由于某些气泡的初始动量大于浮力，从而导致了此现象。同时他们还观察到自湿润流体有微气泡喷射现象。微气泡喷射现象能够更快地传递热量，提高热流密度，并且不会像大气泡一样可能会堵塞微小通道从而阻碍传热，因此该现象对于微小尺度下的传热有着更为深远的影响。

HU等[32]采用以庚醇水溶液为工质的直径为0.2mm、长度为20mm的铂丝，就其水平位置来进行了可视化实验。观察结果表明，自湿润流体能显著提高临界热流密度。比如，0.1%的庚醇水溶液的临界热流密度为2.14MW/m2，而水的临界热流密度为0.85MW/m2，换句话说，自湿润流体的临界热流密度接近于水的2.52倍。并且自湿润流体的气泡尺寸也通常小于水的，因此能够有益于使这种工质应用于微小通道的传热装置。

ZHOU等[33]进行了实验观察自湿润流体在直径为30～50μm、长度为65mm的铂丝上的多股喷射以及气泡喷射现象。实验用的玻璃容器尺寸为25cm×25cm×25cm，其实验结果表明，随去离子水里的气泡直径的增大，多喷射现象变得愈发模糊。但是对于丁醇水溶液，没有观察到气泡顶端的射流现象。相反，能够在气泡附着的铂丝上的底端边缘上观察到多股喷射现象。同时还能发现毛细对流使过冷的水从气泡底部的过热的较薄液层到气泡顶端。然而对自湿润流体来说，却是相反方向，从而使过冷液体流向了被加热的区域。不同学者在可视化实验研究中都观察到了喷射现象，可是对于出现的机理原因目前尚不明了，有待于以后的进一步探究来解释这一现象。

其他与流动特性相关的因素对传热特性的影响也被FRANCESCANTONIO等[34]通过可视化的方法进行了研究，将醇的多元混合物注入石英透明容器内来观察在表面张力推动下的液体流动。石英透明容器外部尺寸为12.5mm×12.5mm×45mm，内部尺寸为10mm×10mm×39mm。实验结果表明，水的流动速度接近于1mm/s，然而正庚醇水溶液的流动速度很高，达到了15mm/s。自湿润流体在流动速度远高于水，从而可以以更快的流动来传递热量，从另一个方面也可以说明自湿润流体对于传热的 意义。

由于航空领域的需要，不少学者也做了一系列可视化实验为航空实验作准备。SAVINO等[35]先用表面张力计测试了多种流体的表面张力随温度的变化（水、乙醇、丁醇、庚醇的混合溶液）。测试结果表明，水等单组分流体的表面张力都随温度的上升而下降。而部分混合溶液（如高碳稀醇水溶液）的表面张力则在达到一定的温度后，表面张力达随温度升高而增大。为进一步研究这些流体在热管中的影响，他们把自湿润流体与水注入水平放置的玻璃管内，在一端加热，采用示踪粒子观测其内部的流动。通过CCD摄像仪观察发现，注入自湿润流体时，冷凝部回流至加热部的速度明显快于水。

通过可视化实验能直观地观察到气泡的运动方向、气泡尺寸以及其他因素，从而更好地了解自湿润流体流动特点，为自湿润流体的传热机理研究提供直观的现象。

3.2 自湿润流体的沸腾实验

也有不少学者做了大量的关于自湿润流体的沸腾实验研究。VAN STRALEN等[36-39]发表了一些混合工质沸腾传热特性的文章，并研究了混合工质沸腾的基本特征。VAN和SUZUKI等[40-41]在文献中指出，以自湿润流体进行池沸腾实验，其临界热流密度是水的2～3倍。CAREY等[42-43]对2-戊醇进行沸腾实验时，发现由浓度梯度产生了一股较强的Marangoni流动，并且指出，在7kPa的低压下，摩尔分数为1.5%的2-戊醇水溶液的临界热流密度高出水的2倍多，并计算出其沸腾传热系数远大于水。

SITAR和GOLOBIC[44]将丁醇水溶液注入平行排列的横截面为25μm×25μm和50μm×50μm的微通道来探究其传热特性。他们发现在同样的热流密度下，与水相比丁醇水溶液能更显著地降低温度。与纯水或丁醇相比，在水中加入一定量的丁醇能够强化池沸腾的传热过程。

近年来，有不少学者做了关于各种不同条件下自湿润流体的沸腾实验。MOROVATI等[31]通过无油压缩机制造出压缩空气，从而在高压环境（1～4bar之间，1bar=0.1MPa）下探究自湿润流体的沸腾传热特性。他们发现即使在高气压下自湿润流体也能增加临界热流密度，他们把这种结果归功于持续不断的微气泡喷射现象。实验结果还表明，更高的气压带来了更高增长速率的临界热流密度变化，气压的增加导致了临界热流密度更快的增加。然而当丁醇水溶液浓度达到7%时，系统压力对于临界热流密度来说不再有显著提升效果。对于这种促进作用目前还没有合理的解释，留待以后对非理想混合物的蒸汽压和表面张力特性进行深入研究后给出结论。

HU等[24]探究了不同过冷度（1°、5°、10°、15°）下铂丝（直径0.2mm、长度20mm）的庚醇水溶液的池沸腾传热特性。实验表明，临界热流密度随自湿润流体浓度的增加或过冷度的增加而增加。比如，过冷度为15℃下的临界热流密度是过冷度为1℃下的2倍。这是由于在更高的过冷温度下，需要更多的热流量使过冷区域被加热从而达到临界热流密度。并且更高的过冷温度导致了气泡与溶液间更大的温差，因温差产生的热毛细作用力驱动液体回流到受热表面。也就是说，更高的过冷温度有更好的传热性能，因此能有效阻止烧干现象的发生。

ZHOU等[45]以去离子水和一些典型的自湿润流体（丁醇、戊醇、己醇水溶液）为工质在直径为6mm的充满球形玻璃珠的多孔床体结构上进行了核态沸腾实验。气泡在高热流密度下，不同工质的沸腾现象如图5所示。他们发现在较低的热流密度下，传热系数随热流密度增加而减少。当热流密度增加到某一特定值如35kW/m2后，传热系数随其增加而略微增加一点，还表明在所有的热流密度条件下，传热系数随碳原子数的增加而增加。

通过对自湿润流体的可视化与沸腾实验的研究，可以更直观地感受到自湿润流体的流动特性与分析其传热机理，将良好的传热性能与直观的现象结合起来，从而对未来的自湿润流体的沸腾传热机理的研究奠定基础。

4 自湿润流体在热管中的应用

由于热管拥有不同类型及复杂的工况条件，因此对于在里面流动的工质的性质有着较高的要求以适应其散热需求。而自湿润流体作为一种新型的强化传热工质，由于随温度增加而增加的表面张力引起的逆Marangoni效应提供了额外的推动力使液体能从冷凝区域回流至蒸发区域，对于强化传热大为有利，因此有必要对其在热管中的性能进行研究。为了探究证明自湿润流体在热管中的强化传热效果，许多学者就自湿润流体在热管中的应用进行了深入研究。

4.1 自湿润流体在无毛细芯热管中的应用

近些年来，越来越多的学者以子湿润流体为工质对无毛细结构的热管的传热性能进行了探究。DI FRANCESCANTONIO等[46]先通过测量自湿润流体的表面张力随温度的变化特性，表明了自湿润流体能够自发从低温区域回流到高温区域。然后将自湿润流体注入到玻璃管中观察管内流体的运动状况，最后把自湿润流体注入到4mm、8mm直径的沟槽热管中，与水对比其传热性能。实验结果表明，醇水溶液可提高热管性能，能延缓热管中烧干现象的出现，并表现出优于水的传热性能。

图5 高热流密度下气泡沸腾现象图[45]

SU等[47]用弯曲的内径2mm、外径4mm的铜毛细管加工出振荡热管，将氧化石墨烯的分散溶液与丁醇水溶液混合制备出自湿润纳米流体注入其中从而研究该流体的传热性能。实验结果表明，当氧化石墨烯分散溶液的质量分数为0.07%、丁醇水溶液的质量分数为0.7%时振荡热管的传热性能最佳。自湿润纳米流体与自湿润流体相比传热性能最多时增加了16%，与纳米流体相比最多时增加了12%。可以看出自湿润纳米流体与自湿润流体相比性能有所提高，不过自湿润纳米流体的传热特性比较复杂，影响因素众多，并且很难保证同样种类的自湿润纳米流体的性能一样，因此还需要更多的实验探究来揭开其中的内在联系，从而能为工质的选择给出 依据。

ZHAO等[48]采用以水、乙醇溶液和自湿润流体为工质，注入总长1200mm及内径为4mm的振荡热管进行传热实验，在30%～80%范围的充液率下进行对比，每次变化间隔10%。结果表明，与水或乙醇相比，注入自湿润流体的振荡热管能够经受更高的热负载。40%～80%充液率下的充有自湿润流体振荡热管与充液率为30%的热管相比能够在更大的热负载下正常工作，并且热效率在充液率为40%和加热功率为600W时到达最大值81.38%。因为注有自湿润流体的振荡热管有更低的热阻、更大的热密度、更长的热输送距离以及更大的直径。自湿润流体在振荡热管中也具有良好的传热性能，因此能够作为一种高效传热工质应用于振荡热管中。

DI FRANCESCANTONIO等[34]还探究了以自湿润流体为派热克斯玻璃管（内径10mm、厚度1mm以及长度为165mm）工质的传热特性。实验结果表明，在水平工况下沿充满醇溶液热管分布的温度梯度与充满水的热管相比更小，同时也表明有着更小的热阻。这个结果可以由通过浓度和温度梯度产生的Marangoni效应来解释。

关于脉动热管的实验探究也逐渐增多。WU[49]将稀浓度的丁醇、戊醇、己醇溶液注入脉动热管探究其传热性能。实验结果表明，自湿润流体的临界热负荷为650W，而水的使250W，增加了160%，并且当使用6%的丁醇水溶液时最低总热阻减少了60%。自湿润流体在脉动热管中的临界热负荷远高于水，与水相比热阻降低也较为明显，具有良好的传热性能，可有效应用在脉动热管中。

张明等[50]将自湿润流体应用到外径4mm、内径2mm由紫铜管焊接而成的脉动热管，实验系统如图6所示。其中自湿润流体是浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯分散液与质量分数5%的正丁醇水溶液按体积比2∶5配制而成的混合溶液。实验结果表明，正丁醇水溶液与氧化石墨烯分散液的混合溶液的温差小于去离子水的，表现出优良的运输性能。但在较低温度和较小的功率小，自湿润流体良好的润湿特性也没有得到充分表现，然后随着温度升高，自湿润特性开始发挥作用，当加热功率大于70W后，随着功率增加差距逐渐减小，可能是因为氧化石墨烯颗粒的悬浮稳定性渐弱的缘故。通过分析氧化石墨烯对正丁醇水溶液脉动热管的强化作用率随加热功率的变化情况图可知，氧化石墨烯的强化作用在20W前甚至是相反的作用，然后随功率增大，强化作用先加强后减少，在加热功率为60W时达到最大。可以看出氧化石墨烯对正丁醇水溶液脉动热管的强化作用主要体现在中间一段加热功率上，关于氧化石墨烯的应用有待以后的进一步研究后揭示其内在机理。

图6 实验系统图[50]

FUMOTO等[51-52]制作了两种尺寸的刻槽平板脉动铝板热管进行实验研究，长分别为145mm、250mm，宽分别为25mm、16mm，厚均为2mm，平板内分别刻上13个、9个1.26mm×1.26mm的通道，通道间的间隔厚度为0.37mm，把自湿润流体注入到平板刻槽式脉动热管里。实验通过分析不同工质（稀丁醇、戊醇、庚醇水溶液和水）在不同浓度与充液率下，观测平板脉动热管的性能进行对比研究。实验结果表明，采用自湿润流体作为热管工质，可提升热管的传热性能，并且采用质量分数1%或更低的自湿润流体时热管的热阻更低。

综上可以看出，自湿润流体工质拥有良好的传热性能和不同于一般工质的特性，并且在各种类型的无毛细芯热管中有着良好的传热表现，因此能够作为一种能广泛应用于各种无毛细芯热管的高效传热工质。

4.2 自湿润流体在不同倾斜角下热管中的应用

近年来，自湿润流体在热管不同倾斜角条件下进行的实验研究也有了很大进展。SENTHILKUMAR等[53-54]以填充了2.365mm孔径的毛细网以及外径为20mm的热管作为观察对象，以稀浓度的丁醇、戊醇、己醇、庚醇水溶液与去离子水作为工质，具体实验装置摆放如图7所示。各种工质在不同倾斜角度下（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）进行实验来探究其传热性能。

实验结果表明，在各种倾斜角度下，自湿润流体与去离子水相比表现出更低的热阻、更好的热稳定性以及更高的热输送效率。

图7 实验装置示意图[54]

KARTHIKEYAN等[55-56]也探究了在不同倾斜角度（0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°）下以正丁醇水溶液为工质的热管中的传热性能。其中实验在不同的输入功率40W、50W、60W、70W、80W和不同的倾斜角度0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°下重复多次，所用热管外径为19mm，总长1000mm。实验结果表明，正丁醇水溶液的热阻与去离子水的相比更小且随输入功率的增加而增加。冷凝端的传热系数也略微小于蒸发端的传热系数。比如，当倾斜角度为75°、输入功率为80W时，正丁醇水溶液蒸发端的传热系数比去离子水高了55%。而当倾斜角度为15°、输入功率为80W时，比去离子水高出了32%。

辛公明等[57]将水和质量分数为5%的正丁醇水溶液注入重力热管探究其在不同微小角度下（0°、1°、3°、5°和10°）的传热性能，实验所用热管是外径9.52mm、内径8.32mm以及长度250mm的铜的内螺纹热管。实验结果表明，热管的绝热段在各角度下表现出良好的温度均匀性，但自湿润流体重力热管的绝热段和蒸发段的温度在不同角度下都明显高于水的重力热管，冷凝段温度则相差不大。说明自湿润流体热管有更大的轴向温差，并且在这些倾角范围内倾角变化对重力热管的温度影响不大。该作者指出由于自湿润流体自身的表面特性，该在促进蒸发段换热的同时会恶化冷凝段的换热，而实验所用充液率很高，对蒸发段换热改善并不明显，倾角较小，对冷凝段的恶化却较为显著，这些因素恶化了自湿润流体重力热管运行温度特性。该作者又对不同微小倾角下重力热管的热阻进行了对比，结果表明，自湿润流体重力热管的热阻在达到传热极限之前均稍大于水的（除了0°倾角，未达到极限前就已小于水），并且重力热管的传热极限随倾角增大而增大，自湿润流体重力热管的传热极限在各倾角下与水相比明显增大。由此可知，自湿润流体重力热管在地面应用时更适用于那些要求较大热负荷和能耐高温的换热场合。

4.3 自湿润流体在微重力条件下热管中的应用

自湿润流体的表面张力特性决定其在受Marangoni作用影响大的领域都能有相当好的应用前景。自湿润流体在不同条件下特别是在微重力条件下或是在微小型的电子散热元件中能对强化换热起到较大的作用，因此自湿润流体作为热管工质在微重力下或微通道中的强化传热效果成为了研究热点[58-62]。下面就其应用于微重力条件下的热管中的应用进行介绍。

TANAKA等[63]将自湿润流体和水分别注入单通道热管和多通道热管（用铜、聚酰亚胺、石墨制作而成）中，并在微重力与正常重力条件下进行对比研究其传热性能。实验结果表明，在微重力下，自湿润流体为工质时的温度分布更均匀，因此能够在微重力条件下拥有良好的传热性能。

SAVINO等[27]以不同的混合溶液如正丙醇、正丁醇、正戊醇和正庚醇溶液）作为直径为4mm或8mm以及长度为250mm的复合毛细结构的圆柱状热管的工质，在微重力条件下进行了传热实验。实验结果表明，使用了自湿润流体的热管的烧干极限一般来说比使用水为工质的热管的烧干极限增加了50%，因此该种溶液能够大大延缓烧干现象的发生，增强了传热。

ABE等[64]将稀乙醇水溶液和稀丁醇水溶液应用到无芯热管中，将稀丁醇水溶液应用到有芯热管中。并将这些热管分别置于正常重力和微重力的条件下进行对比试验。实验结果表明，微重力条件下的热管的烧干极限与在正常重力下相比降低了10%～50%，除以稀丁醇溶液为工质的无芯热管外，其他热管的热阻大约增加了30%。通过实验结果的对比可知，自湿润流体的润湿特性能显著提高热管的烧干极限。

SAVINO等[65-66]以长25mm、直径4mm（内部由毛细结构）和8mm（无毛细结构）的沟槽铜管中为研究对象，将水和自湿润流体注入热管，分别在重力条件下和微重力条件下进行了传热实验。实验中铜管一端加热，另一端用恒温水循环冷却。实验结果表明，在正常重力垂直放置时，由于存在重力的回流推动作用，无论是直径4mm还是8mm的铜管，两种工质的热阻相差不大，自湿润流体回流特性现象并不显著。而在水平工况下，缺少重力的回流作用，自湿润流体由于其湿润特性，使工质能及时回流，在两种铜管中都能表现出良好的传热性能。而以水为工质时，在两管中都较快地出现烧干现象。在微重力条件下，以水为工质时，两根铜管无论在垂直还是在水平工况下，都很快出现烧干现象。而以自湿润流体为工质时，两根铜管都能表现出较良好的传热性能。

4.4 自湿润流体在其他热管的应用

由于热管种类繁多，而不同类型的热管其结构性能也不一样，从而导致即使是同一种自湿润流体在不同类型的热管中传热性能也会天差地别。因此有必要探究自湿润流体在不同类型热管中的性能优劣。ABE等[60]为探究自湿润流体在正常重力条件下对热管传热性能的影响，又以直径4mm和8mm的有芯热管作为研究对象，注入自湿润流体（质量分数为1.5%丁醇水溶液）与水对比其传热性能。其实验结果表明，4mm直径的热管中，与水对比，自湿润流体能提高约40%的烧干极限，降低约15%的热阻。而在8mm直径的热管中，与水对比，自湿润流体并未有提高烧干极限的现象，但热阻下降了约40%。由此表明，在小尺寸中，自湿润流体提高烧干极限的效果更明显，而在大尺寸中，降低热阻的效果更显著。可是作者并未指出自湿润流体在哪种尺寸的热管的传热性能更为优越，并且也没有说明怎样来选择合适尺寸的热管使得自湿润流体能最大效度地增强传热。因此需要更深入地研究自湿润流体与不同尺寸热管的内在联系，从而为选择合适的热管尺寸给出依据。

DI FRANCESCANTONIO等[34]以正庚醇水溶液（质量分数0.1%）和水作为工质注入到直径不同的4个开槽铜管中，对比其不同直径铜管下的传热性能。其中两个直径4mm，而另外两个直径8mm。实验结果表明，无论是直径4mm还是8mm的铜管，自湿润流体在铜管中都表现出良好的传热性能，拥有接近两倍于水的烧干极限以及更低的热阻。

其他种类的自湿润流体如自湿润纳米流体对传热性能的影响被PAOLA等[60]进行了探究。他们将自湿润流体以及自湿润纳米流体（里面有质量分数为0.01%的纳米粒子）应用到直径8mm、长度250mm的开槽热管。实验结果表明，自湿润流体与自湿润纳米流体和水相比，拥有更好的稳定性和对热传导有更大的提升，展现出更好的传热性能，从而能够作为一种比较新颖的工质应用到传热设 备上。

SATO等[67]将质量分数为5%的正丁醇水溶液、5%正丁醇与2.5×10–4mol/dm3银纳米粒子混合的水溶液作为直径4mm、长度250mm的开槽铜管的工质来探究其传热性能。实验结果表明，注有质量分数为5%正丁醇与2.5×10–4mol/dm3银纳米粒子混合的水溶液的热管的烧干极限与水和质量分数为5%的丁醇水溶液相比显著提高。因此加入一定量的银纳米粒子与自湿润溶液混合能显著增大烧干极限以及强化传热。

汪双凤等[68]以外径6mm、长度260mm的烧结铜管作为研究对象，将自湿润流体注入其中探究其热输送性能。实验结果表明采用质量分数为0.1%的庚醇水溶液时，在较低功率下时，自湿润流体的热输送能力略差于水，需更多时候温度曲线才能趋于平衡，并且热阻也高于水，未体现出良好的自湿润特性。随着功率上升，自湿润流体的温度曲线很快趋于平衡，自湿润流体的热阻与水相差越来越大，表现出明显优于水的热输送能力。

PEYGHAMBARZADEH等[69]将水与丁醇溶液（质量分数为4%与7%）注入内径1.5mm、外径1.8mm以及长度16cm的玻璃毛细热管。实验结果表明，传热系数随蒸发段热流密度增加而增加，而当热流密度恒定时，传热系数随冷凝段温度增高而增加。并且质量分数为7%的丁醇溶液传热系数大于其他溶液的传热系数。他们还发现热阻随溶液浓度增大而减少，总热阻随冷凝段温度增大而减少。但是当冷凝段温度达到35℃时，对所有工质来说都观察到了同前面不一样的趋势。根据这些实验结果，他们提出了两种机理来解释不同工质对应的不同的热管传热性能。首先是蒸气分离机制，使用自湿润流体时，在蒸发端会产生更多的蒸气，而这些蒸气将热量传递到了冷凝端。然后是液体到达机制，温度梯度引起的浓度梯度促使液体从热端回流到冷端。由于液体在冷凝端更短的停留时间，因此在绝热段和冷凝段的核态蒸汽温度不会像以水为工质时那样减少。但是也应该注意到，蒸发段产生的较大质量流率的蒸气将导致更大的压降从而促使蒸气从蒸发段流向冷凝段，而这将恶化热管的传热性能。为了得到最优性能的热管性能，需要考虑产生蒸气流速的最佳值，这可以作为未来研究思考的方向。

以上研究介绍了现有的自湿润流体在各类热管中的不同工况条件下的应用的研究结果，为了方便查阅，不同文献对应的关于热管应用不同条件下的研究已被详细地列入表1。尽管文献数量有限，但表明了自湿润流体作为热管的新型高效工质能大大地强化传热效果，胜任各种工况条件，在热管中有很大的应用前景。然而目前对自湿润流体传热机理的研究尚属于起步阶段，大部分的研究属于对自湿润流体强化传热宏观现象的研究分析，考虑到影响自湿润流体传热机理因素的复杂性，因此很有必要对自湿润流体的流动与传热机理进行微观层次的深入研究，为其在传热领域散热系统上的应用提供理论基础，从而增大其应用范围和适合的工况条件。

表1 不同文献对应的关于热管应用不同条件下的研究

5 结语与展望

本文对自湿润流体流动与传热特性的相关研究现状及发展动态进行了综述，通过以上汇总分析，目前的进展可概述如下。

（1）单组分流体沸腾时，热毛细力作用会恶化其传热性能，而自湿润流体由于其多组分混合物拥有不同寻常的表面张力特性从而使得可以自发从冷端往热端回流，润湿烧干部分，因此大大延缓了烧干现象的发生时间从而强化了传热，从而由于其良好的特性拥有着广阔的应用前景。

（2）通过可视化实验能直观地观察到气泡的运动方向、气泡尺寸以及其他因素，这些现象充分表明，自湿润流体能有效防止热管出现烧干现象，同时增强工质的传热效率，从而增强传热性能。通过沸腾实验可以发现自湿润流体在不同大气压、不同过冷度以及多孔床体结构中也能有良好的传热 性能。

（3）由于热管的应用广泛，因此有不少学者做了很多关于不同工况条件和不同类型热管的研究。从这些结果可以看出，自湿润流体能够在无毛细结构、水平工况以及微重力等工况条件下有着良好的传热性能，优于一般工质的表现，从而使其能适应很多一般工质不能胜任的工况条件，拥有优于一般流体的传热性能。并且在不同类型以及不同结构的热管中也有较好的表现，应用于更广阔的领域。

虽然自湿润流体因为其散热的高效在很多散热领域拥有巨大的潜力，但是为了更好地将其应用到实际中，目前仍然需要对存在的与其相关的问题进行研究。

（1）由于不同的应用需求和工况条件，对自湿润流体的热物性如导热系数、凝点和沸点等要求也不同。研究不同类型的自湿润流体的传热特性具有深远的意义。

（2）由于沸腾传热的物理机制本来就比较复杂，而自湿润流体作为一种新型高效的沸腾工质，相关研究才刚刚起步，因此需要对池沸腾下的自湿润流体的传热特性进行可视化研究，同时对其强化换热机理进行深入分析建模。

（3）目前自湿润流体数值模型建立的研究仍然很少，特别是针对自湿润流体在不同结构微通道的流动与传热模型进行研究，并与实验结果进行对比，对于自湿润流体应用到微电子领域作为传热工质具有重要意义。

（4）自湿润流体不仅能应用到很多流动设备中，还能推广到一些需要冷却技术（如喷雾冷却、液膜冷却等）的领域。根据实际应用需要，研究开发出新型的以其为工质的换热器或系统，从而实现其产业化应用。

[1] ZOU S．11th five year plan and IC industry development in China[C]//8th International Conference on Electronics Packaging Technology，2007．

[2] 彩霞．高密度电子封装可靠性的研究[D]. 上海：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，2002：33-34．

CAI X. Reliability research on electronic packaging[D]．Shanghai：Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology Chinese Academy of Sciences，2002：33-34．

[3] ANDREW D，MATHUR D．Thermal management in advanced electronic packaging[J]．Semiconductor International，2008，3：83-86．

[4] 杨明伟．半导体激光器组件的传热特性与热电控制技术研究[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006：2-19．

YANG M W．Research of heat transfer and thermoelectric control technique of laser diode module[D]．Harbin：Harbin Institute of Technology，2006：2-19．

[5] ESARTE J，Blanco J M，Mendia F，et al．Improving cooling devices for the hot face of Peltier pellets based on phase change fluids[J]．Applied Thermal Engineering，2006，10（26）：967-973．

[6] JANZ G J，GARDNER G L，KREBS U，et al．Molten salts：volume 4，Part 1，Fluorides and mixtures electrical conductance，density，viscosity，and surface tension data[J]．Journal of Physical and Chemical Reference Data，1974，3（1）：1-115．

[7] VOCHTEN R，PETER G．Study of the heat of reversible adsorption at the airsolution interface Ⅱ．Experimental determination of the heat of reversible adsorption of some alcohols[J]．Journal of Colloid and Interface Science，1973，42（2）：320-327．

[8] ZHANG N L，CHAO D F．Models for enhanced boiling heat transfer by unusual，Marangoni effects under microgravity conditions[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer，1999，26（8）：1081-1090．

[9] ABE Y，IWASAKI A，TANAKA K．Microgravity experiments on phase change of self-rewetting fluids[J]．Annals of the New York Academy of Sciences，2004，1027（1）：269-285．

[10] BARANENKO V I，CHICHKAN L A．Thermocapillary convention in the boiling of various fluids[J]．Heat Transfer—Sov. Res.，1980，12（2）：40-44．

[11] STRAUB J．The role of surface tension for two-phase heat and mass transfer in the absence of gravity[J]．Experimental Thermal and Fluid Science，1994，9（3）：253-276．

[12] WAYNER P C，KAO Y K，LACROIX L V．The interline heat-transfer coefficient on an evaporating wetting film[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1976，19（5）：487-492．

[13] MAREK R，STRAUB J．The origin of thermocapillary convection in subcooled nucleate pool boiling[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44（3）：619-632．

[14] KIM J．Review of reduced gravity boiling heat transfer：US research[J]．Journal of Japan Society of Microgravity Application， 2003，20（4）：264-271．

[15] ABE Y，OKA T，MORi Y H，et al．Pool boiling of a non-azeotropic binary mixture under microgravity[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1994，37（16）：2405-2413．

[16] AHMED S，CAREY V P．Effects of gravity on the boiling of binary fluid mixtures[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1998，41（16）：2469-2483．

[17] ABE Y，IWASAKI A．Observation of vapor bubble of non-azeotropic binary mixture in microgravity with a two-wavelength interferometer[R]. Electrotechnical Laboratories，Tsukuba，Ibaraki（JP），1999．

[18] ABE Y，IWASAKI A．Single and dual vapor bubble experiments in microgravity[C]//Microgravity Fluid Physics and Heat Transfer：Proceedings of the International Conference on Microgravity Fluid Physics and Heat Transfer held at the Tutle Bay Hilton，Kahuku，Hawaii，USA，1999．

[19] OKA T，ABE Y，MORI Y H，et al．Pool boiling heat transfer in microgravity：experiments with CFC-113 and water utilizing a drop shaft facility[J]．JSME International Journal Series B：Fluids and Thermal Engineering，1996，39（4）：798-807．

[20] KURAMAE M，SUZUKI M．Two-component heat pipes utilizing the Marangoni effect[J]．Journal of Chemical Engineering of Japan，1993，26（2）：230-231．

[21] TREFETHEN L．On the jet propulsion of bubbles in a heated liquid[R]．Tufts University Mechanical Engineering Report No，1961．

[22] MCGREW J L，BAMFORD F L，REHM T R．Marangoni flow：an additional mechanism in boiling heat transfer[J]．Science，1966，153（3740）：1106-1107．

[23] VOCHTEN R，PETRE G．Study of the heat of reversible adsorption at the air-solution interface．Ⅱ．Experimental determination of the heat of reversible adsorption of some alcohols[J]．Journal of Colloid and Interface Science，1973，42（2）：320-327．

[24] HU Y，ZHANG S，LI X，et al．Heat transfer enhancement of subcooled pool boiling with self-rewetting fluid[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，83：64-68．

[25] ABE Y．Self-rewetting fluids-Beneficial aqueous solutions[J]. Interdisciplinary Transport Phenomena in the Space Sciences，2006， 1077（1）：650-667．

[26] CECERE A，PAOLA R D，SAVINO R，et al．Observation of Marangoni flow in ordinary and self-rewetting fluids using optical diagnostic systems[J]．The European Physical Journal Special Topics，2011，192（1）：109-120．

[27] SAVINO R，DI PAOLA R，CECERE A，et al．Self-rewetting heat transfer fluids and nanobrines for space heat pipes[J]．Acta Astronautica，2010，67（9）：1030-1037．

[28] DI PAOLA R，SAVINO R，MIRABILE G D，et al．Self-rewetting carbon nanofluid as working fluid for space and terrestrial heat pipes[J]．Journal of Nanoparticle Research，2011，13（11）：6207-6216．

[29] SAVINO R，CECERE A，DI PAOLA R．Surface tension-driven flow in wickless heat pipes with self-rewetting fluids[J]．International Journal of Heat and Fluid Flow，2009，30（2）：380-388．

[30] ABE Y．Thermal management with phase change of self-rewetting fluids[C]// Proceedings of the ASME Heat Transfer Division， 2005：391-398．

[31] MOROVATI M，BINDRA H，ESAKI S，et al．Enhancement of pool boiling and critical heat flux in self-rewetting fluids at above atmospheric pressures[C]//ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conference．American Society of Mechanical Engineers，2011：T10246-T10246-6．

[32] HU Y，ZHANG S，LI X，et al．Heat transfer enhancement mechanism of pool boiling with self-rewetting fluid[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2014，79：309-313．

[33] ZHOU L，LI Y，WEI L，et al．Multi-jet flows and bubble emission during subcooled nucleate boiling of aqueous n-butanol solution on thin wire[J]．Experimental Thermal and Fluid Science，2014，58：1-8．

[34] DI FRANCESCANTONIO N，SAVINO R，ABE Y．New alcohol solutions for heat pipes：Marangoni effect and heat transfer enhancement[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51（25）：6199-6207．

[35] SAVINO R，DI FRANCESCANTONIO N，FORTEZZA R，et al．Heat pipes with binary mixtures and inverse Marangoni effects for microgravity applications[J]．Acta Astronautica，2007，61（1）：16- 26．

[36] VAN STRALEN S J D．The mechanism of nucleate boiling in pure liquids and in binary mixtures—Part I[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1966，9（10）：995IN11007-1006IN31020．

[37] VAN STRALEN S J D，SLUYTER W M．Investigations on the critical heat flux of pure liquids and mixtures under various conditions[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1969，12（11）：1353-1384．

[38] VAN STRALEN S J D．The growth rate of vapour bubbles in superheated pure liquids and binary mixtures. Part I： Theory[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1968，11（10）：1467-1489．

[39] ZIJL W，RAMAKERS F J M，VAN STRALEN S J D．Global numerical solutions of growth and departure of a vapour bubble at a horizontal superheated wall in a pure liquid and a binary mixture[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1979，22（3）： 401-420．

[40] VAN WIJK W R，VOS A S，VAN STRALEN S J D．Heat transfer to boiling binary liquid mixtures[J]．Chemical Engineering Science，1956，5（2）：68-80．

[41] SUZUKI K，NAKANO M，ITOH M．Subcooled boiling of aqueous solution of alcohol[C]//Proceedings of the 6th KSME-JSME Joint Conference on Thermal and Fluid Engineering Conference，2005：21-23．

[42] CAREY V P．On the role of Marangoni effects on the critical heat flux for pool boiling of binary mixtures[J]．Journal of Heat Transfer，1996，118：103．

[43] AHMED S，CAREY V P．Effects of surface orientation on the pool boiling heat transfer in water/2-propanol mixtures[J]. Transactions—American Society of Mechanical Engineers Journal of Heat Transfer，1999，121：80-88．

[44] SITAR A，GOLOBIC I．Heat transfer enhancement of self-rewetting aqueous-butanol solutions boiling in microchannels[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，81：198-206．

[45] ZHOU L，WANG Z，DU X，et al．Boiling characteristics of water and self-rewetting fluids in packed bed of spherical glass beads[J]．Experimental Thermal and Fluid Science，2015，68：537-544．

[46] DI FRANCESCANTONIO N，SAVINO R，ABE Y．New alcohol solutions for heat pipes：Marangoni effect and heat transfer enhancement[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2008，51（25/26）：6199-6207．

[47] SU X，ZHANG M，HAN W，et al．Experimental study on the heat transfer performance of an oscillating heat pipe with self-rewetting nanofluid[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2016，100：378-385．

[48] ZHAO J，QU J，RAO Z．Experiment investigation on thermal performance of a large-scale oscillating heat pipe with self-rewetting fluid used for thermal energy storage[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，2017，108：760-769．

[49] WU S C．Study of self-rewetting fluid applied to loop heat pipe[J]．International Journal of Thermal Sciences，2015，98：374-380．

[50] 张明，苏新军，韩魏，等．氧化石墨烯/自湿润流体脉动热管的传热特性[J]．化工进展，2015，34（8）：2951-2954．

ZHANG M，SU X J，HAN W，et al．Heat transfer characteristics of pulsating heat pipe with graphene oxide/self-rewetting fluid[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34（8）：2951-2954．

[51] FUMOTO K，KAWAJI M．Performance improvement in pulsating heat pipes using a self-rewetting fluid[C]//ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference collocated with the InterPACK09 and 3rd Energy Sustainability Conferences，American Society of Mechanical Engineers，2009：359-365．

[52] FUMOTO K，KAWAJI M，KAWANAMI T．Study on a pulsating heat pipe with self-rewetting fluid[J]．Journal of Electronic Packaging，2010，132（3）：031005．

[53] SENTHILKUMAR R，VAIDYANATHAN S，BALASUBRAMANIAN S. Thermal analysis of heat pipe using self rewetting fluids[J]. Thermal Science，2011，15（3）：879-888．

[54] SENTHILKUMAR R，VAIDYANATHAN S，SIVARAMAN B．Comparative study on heat pipe performance using aqueous solutions of alcohols[J]．Heat and Mass Transfer，2012，48（12）：2033-2040．

[55] KARTHIKEYAN M，VAIDYANATHAN S，SIVARAMAN B．Heat transfer analysis of two phase closed thermosyphon using aqueous solution of-butanol[J]．International Journal of Engineering and Technology，2013，3（6）：661-667．

[56] KARTHIKEYAN M，VAIDYANATHAN S，SIVARAMAN B．Thermal performance of a two phase closed thermosyphon using aqueous solution[J]．International Journal of Engineering Science and Technology，2010，2（5）：913-918．

[57] 辛公明，秦秋杨，张鲁生，等．小角度下自湿润流体重力热管传热特性[J]．工程热物理学报，2015（6）：1282-1285．

XING G M，QING Q Y，ZHANG L S，et al．Thermal characteristics of gravity heat pipe with self-rewetting fluid at small inclination angles[J]．Journal of Engineering Thermophysics，2015（6）：1282-1285．

[58] ABE Y，OKA T，MORI Y H，et al．Pool boiling of a non-azeotropic binary mixture under microgravity[J]．International Journal of Heat and Mass Transfer，1994，37（16）：2405-2413．

[59] ONO N．The aqueous solution with nonlinear surface energy and their application to flow boiling in a mini/micro tube(Keynote lecture）[C]//ICNMM07（ASME），Proceedings CD-ROM，2007．

[60] ABE Y，TANAKA K，NAKAGAWA M，et al．Flexible wickless heat pipes radiator with self-rewetting fluids[C]//9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference，2006：3105．

[61] DI PAOLA R，SAVINO R，GATTIA D M，et al．Self-rewetting carbon nanofluid as working fluid for space and terrestrial heat pipes[J]. Journal of Nanoparticle Research，2011，13（11）：6207-6216．

[62] ONO N，YOSHIDA T，SHOJI M，et al．Heat transfer and liquid motion of forced convective boiling in a mini-tube for aqueous solutions with nonlinear surface energy[J]．Multiphase Science and Technology，2007，19（3）：225-240．

[63] TANAKA K，ABE Y，NAKAGAWA M，et al．Low-gravity experiments of lightweight flexible heat pipe panels with self-rewetting fluids[J]．Interdisciplinary Transport Phenomena：Fluid，Thermal，Biological，Materials，and Space Sciences，2009，1161：554-561．

[64] ABE Y，TANAKA K，MOCHIZUKI M，et al．Self-rewetting fluids[C]//Proceedings of the 8th International Heat Pipe Symposium of Japan，Kumamoto（1994），2006：76-77．

[65] SAVINO R，ABE Y，FORTEZZA R．Comparative study of heat pipes with different working fluids under normal gravity and microgravity conditions[J]．Acta Astronaut，2008，63（1/2/3/4）：24-34．

[66] SAVINO R，DI FRANCESCANTONIO N，FORTEZZA R，et al．Heat pipes with binary mixtures and inverse Marangoni effects for microgravity applications[J]．Acta Astronaut，2007，61（1/2/3/4/5/6）：16-26．

[67] SATO M，ABE Y，URITA Y，et al．Thermal performance of self-rewetting fluid heat pipe containing dilute solutions of polymer-capped silver nanoparticles synthesized by microwave-polyol process[J]. International Journal of Transport Phenomena，2011，12：339-345．

[68] 汪双凤，胡艳鑫，李选友．自湿润流体热管的热输送性能[J]．化工学报，2012，63（12）：3791-3797．

WANG S F，HU Y X，LI X Y．Heat-transport capability of self-rewetting fluid heat pipe[J]．Journal of Chemical Industry and Engineering（China），2012，63（12）：3791-3797．

[69] PEYGHAMBARZADEH S M，BOHLOUL M R，ASLANZADEH N．Heat transfer and Marangoni flow in a circular heat pipe using self-rewetting fluids[J]．Experimental Heat Transfer，2017，30（3）：218-234．

Research progress of flow and heat transfer characteristics with self-rewetting fluid

HU Yanxin1，HUANG Kaixin1，CHEN Sixu1，WANG Shuangfeng2，HUANG Jin1

（1School of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2School of Chemistry and Chemical Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China）

Self-rewetting fluid is the non-azeotropic solutions satisfied to enjoy a particular surface tension behavior—an increase in the surface tension with increasing temperature. In the case of non-azeotropic compositions，preferential evaporation of more volatile component takes place. Preferential evaporation results in a composition gradient along the liquid/vapor interface，and the surface tension gradient due to the composition gradient induces Marangoni flow that is expected to enhance boiling heat transfer. Moreover，due to the particular surface tension behavior，the thermocapillary effect induces a liquid inflow to the bubble–heater contact area，which induce the liquid spontaneously move to the high temperature dry out region. In this paper，the researches on the flow and heat transfer characteristics of the self-rewetting fluids in the recent decades were summarized，mainly including heat transfer mechanism of the single component fluids，multi component fluids and self-rewetting fluids，the preparation of self-rewetting fluid and flow and heat transfer characteristics of self-rewetting fluid. Furthermore，the applications of self-rewetting fluid in wickless structure，different angles of inclination，microgravity conditions and different types of heat pipes were introduced in detail.

self-rewetting fluid；heat transfer mechanism；Marangoni effect；surface tension；visualization

TK124

A

1000–6613（2017）12–4329–14

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0682

2017-04-18；

2017-06-23。

国家自然科学基金（51476038）、广东省前沿与关键技术创新专项资金项目（2016A050503042）、广州市科技计划产学研协同创新重大专项（2016201604030020）及广州市科技计划产学研协同创新重大专项项目（201704030009）。

胡艳鑫（1986—），男，讲师，研究方向为强化沸腾传热。E-mail：huyanxin825@126.com。

黄金，教授，研究方向为传热传质领域。E-mail：gduthuangjin@126.com。