喷雾冷却临界状态传热失效实验研究

黄龙，王松明，刘昭亮，王玉洁，吕龙

（江苏海事职业技术学院轮机工程学院，江苏南京 211112）

0 引言

电子元件日趋高度集成化及微型化，带来高热流散热的问题，其发展受到温控技术的制约。喷雾冷却技术具有高热流密度冷却的特点，是解决电子元件散热问题的关键技术，受到国内外学者的广泛关注[1-2]。

喷雾冷却散热存在临界热流，当超过该临界点时，可能进入膜态沸腾，传热恶化[3]。因此临界热流密度是评价喷雾冷却换热性能优劣的重要指标。国内外学者针对喷雾冷却临界状态进行了深入研究，MUDAWAR等[4]研究了喷雾冷却临界热流变化规律，发现当传热进入极限状态时表面热膜不连续，部分表面干涸，此时传热能力也达到最大；若增大喷雾颗粒粒径及初始冲击速度可以使临界传热能力提升，验证了液膜不连续导致传热恶化。SODTKE等[5]采用红外摄像机，观察了散热表面三相接触线与热流密度之间的关系，研究发现微结构表面的三相接触线的长度比光滑表面提升了40%，此时临界热流也相应提升了45%。谢宁宁等[6]借助高速摄像仪对喷雾冷却过程进行可视化研究，实验发现体积流量较小时，散热表面液膜不连续，此时蒸发较为剧烈，较快进入临界状态。张蓓乐等[7]研究了液氮低温喷雾技术，结果发现当传热达到临界状态时，喷雾体积流量越大，降温速率越快，测试表面的温度均匀性得到提升。刘绍彦等[8]采用相位多普勒粒子分析仪，研究了喷雾参数对临界热流的影响，结果表明喷雾粒径在表面的分布呈现出中间小、周边大的趋势，雾滴速度呈现出中间大、周边小的变化规律；当达到临界状态时表面中间的散热先失效。王高远等[9]研究微纳复合结构表面上的液滴铺展及蒸发特性，结果表明微纳复合表面有利于增强液滴的铺展和蒸发，促进表面热量的传递，并且将表面达到临界状态后传热恶化的原因归于表面出现了干涸现象。刘妮等[10]搭建了一套闭式喷雾冷却系统分析微槽道表面传热特性分析，结果表明微结构的存在有助于较小液膜的厚度，促进了传热进入沸腾阶段，但是当传热进入临界状态时，表面容易出现干涸导致传热恶化。

通过调研发现，有学者通过观测表面液膜的分布及液滴在表面分布的方法来研究喷雾冷却临界传热能力，并归因于临界状态时液膜不连续及干涸现象[11-14]。如果超过临界状态表明散热失效，将导致热量在元器件表面淤积，甚至损毁元器件。当实际观测液膜和液滴在表面分布情况时，局限性较大。将液膜分布不连续作为临界失效原因目前还没有成为定论，也可能存在其他原因导致传热失效。

本文研究了喷雾冷却临界状态传热失效，实时监测热流密度、传热系数和表面温度的变化规律分布均匀性，分析了喷雾冷却散热极限换热的机理。

1 喷雾冷却实验系统及实验方法

1.1 喷雾冷却实验台

图1所示喷雾冷却系统原理图及实物图。包括储液罐、高压水泵、流量计、模拟热源和数据采集系统。

待冷却实验件实物图如图2所示，由底部加热块、铜柱和压板组成。在铜柱上打孔作为测温孔，测点之间距离为8 mm，分别距离热表面为17、25、33和41 mm。

图1 喷雾冷却实验系统

图2 分体式模拟热源加热块实物图

模拟热源由6根功率为200 W圆柱形加热棒及调功器构成。模拟热源加热块外壁面进行绝热处理，在其四周包裹硅酸铝纤维棉材料，最上端选用聚四氟乙烯进行封装，保温并封装后的模拟热源加热块实物如图3所示。

模拟热源散热实验件表面为直径 2.4 cm的圆形，图4所示为微槽道表面结构示意图及实物图，表1所示为微槽道表面几何参数。

图3 模拟热源加热块实物图

图4 微槽道表面结构示意图及实物图

表1 微槽道表面几何参数

1.2 喷雾冷却实验方法

针对失效阶段热流密度、传热系数和表面温度分布三方面分析临界状态后传热开始恶化的原因。

实验步骤：1）选取光滑散热实验件表面为待冷却对象，进行保温封装；2）开启调功器调节功率；3）利用高压水泵为喷雾工质提供动力，通过调节输送管道阀门，维持每个工况流量稳定，喷雾工质雾化后与待冷却表面进行热交换；4）实时监测散热表面上4层热电偶测得的温度，并进行数据采集，完成一个加热功率下的工况；5）加大模拟热源加热功率，直至表面温度开始出现阶跃性变化；6）立刻关闭热源加热系统，保持喷雾体积流量不变，持续对表面降温至表面温度恢复到临界状态前，完成失效阶段喷雾冷却实验；7）更换散热表面，重复1）～ 6）的实验流程完成微槽道表面喷雾冷却失效实验。

1.3 喷雾冷却实验数据处理

模拟热源周围填充纤维棉，导热系数仅为0.031 W/(m·K)，模拟热源紫铜的导热系数为387.4 W/(m·K)，两者相差近1,000倍，理论上符合一维导热的规律。

为了验证模拟热源是否具备良好的一维导热特性，先通过FLUENT软件对热源上端的温度分布梯度进行仿真验证。仿真计算时设定加热量为1,000 W，铜块外壁设置导热系数为0.031 W/(m·K)。

图5所示为热源沿轴向的温度分布。由图5可知，热量从热源底部沿着铜柱向上呈线性变化，热源沿着颈部轴向基本符合一维稳态导热规律。

图5 热源热源沿轴向的温度分布

在模拟热源铜柱上，从下至上依次布置温度传感器，每一层布置4个温度传感器，用来计算表面不同位置温度：测点1位于中心处，测点2距离中心5 mm，测点3距离中心10 mm，测点4距离中心11 mm；测点布置剖视图如图6所示。

采集每个温度传感器数据，利用一维导热计算公式拟合得到热表面温度，可求得表面传热系数。

表面热流密度的计算可通过式(1)[15]得出。

式中：

q——热流密度，W/cm2；

λ——紫铜导热系数，W/(cm·K)。

图6 单层温度传感器布置剖视图

∂T(y)/∂y由T1～T4拟合得出，T1～T4为自上而下布置的4组温度传感器测量得到的温度；两个测点之间距离为8 mm；测点分布如图7所示。

图7 温度测点布置（单位：mm）

传热系数K也是表征喷雾冷却换热性能的重要参数。

式中：

Q——模拟热源总热量，W；

Tin——喷嘴入口温度，℃；

Tw——热表面温度，℃；

A——微槽道表面面积，cm2；

K——传热系数，W/(cm2·℃)。

1.4 误差分析

模拟热源测量温度用的K型热电偶，最大不确定度为±0.5℃；热源轴线上热电偶拟合温度的斜率最大不确定度为±0.02；热电偶安装位置处由于加工工艺局限，误差在±0.1 mm；拟合 4个热电偶温度分布斜率的最大不确定度为±0.01；热电偶的位置由加工工艺决定，不确定度为±0.1 mm；喷嘴入口处工质温度由Pt100铂电阻测得，精度为A级，其不确定度为±0.14℃。根据王瑜等[16]给出的误差传递函数计算本实验中热流密度、表面温度和传热系数的不确定度分别为±5.1%、±2.2%和±5.5%。

2 实验结果与分析

2.1 表面平均温度及传热系数随时间的变化

以光滑表面及微槽道表面为研究对象，实验分析了喷雾冷却达到临界状态后失效阶段的散热情况。首先关闭模拟热源，然后维持喷雾流量在0.15 L/min，实时记录表面温度变化，分析该散热过程中的温度及传热系数变化规律，用于分析临界状态喷雾冷却失效原因。

图8所示为光滑表面及微槽道表面在失效阶段散热过程中表面平均温度随时间的变化。由图8(a)可知，当散热时间从0 s增加至350 s时，光滑表面平均温度下降了18%，而散热时间为350 s时，表面平均温度发生突变，迅速由97.44℃降至82.74℃。由图8(b)可知，微槽道表面失效阶段散热表面平均温度先是缓慢下降，当散热时间为875 s时表面平均温度从 95℃瞬间突变至 71℃。失效阶段两种表面的表面平均温度变化趋势基本一致，区别只是发生突变的时间及温度不同，微槽道表面失效阶段持续时间比光滑表面长，且微槽道表面发生突变时对应的表面温度高于光滑表面。

对比光滑表面与槽道表面平均温度随时间的变化发现，均存在温度突变点，只是出现的时间槽道表面要比光滑表面晚。造成该现象的原因是由于槽道表面液膜本身比光滑表面薄，导致达到临界状态后，槽道表面干涸区域比光滑表面大，传热能力恢复需要的时间更久。

图9所示为光滑表面及微槽道表面在散热过程中传热系数随时间的变化。由图9可知，光滑表面在开始散热阶段传热系数基本维持在0.52 W/(cm2·℃)，当散热时间达到 340 s时，传热系数迅速升至4.13 W/(cm2·℃)；微槽道表面工况散热开始时，传热系数基本维持在0.72 W/(cm2·℃)左右不变，当散热时间为875 s时，传热系数迅速升至4.53 W/(cm2·℃)。

图8 散热过程中热沉表面平均温度随时间的变化

图9 散热过程中传热系数随时间的变化

综上所述，无论是光滑表面还是槽道表面，其散热能力在一定时间内是失效的，而超过该时间后会发生突变，散热能力得到恢复。

2.2 喷雾冷却传热失效原因分析

为了解释出现上述现象，本文从表面状态及表面温度变化规律来分析原因。

图10所示为失效到传热恢复阶段表面状态的变化。由图10(a)可知，表面有一层白色雾状薄膜，并且在表面周围有很多沸腾气泡，表明表面大量工质汽化，形成雾状空气层，而表面周围热量通过热传导传递，周围工质沸腾形成气泡。由图10(b)可知，表面中心处液滴直接与表面接触。由图11(c)可知，表面上也有更多较为明显的阴影，表明更多的部分接触到了液滴。由图10(d)可知，表面上已经基本没有白色雾状薄膜，可明显观察到液滴与表面接触。

图10 光滑表面失效到传热恢复阶段表面状态的变化

综上所述，整个散热过程中表面状态及传热形式均发生改变。因此将从表面温度分布情况分析传热失效的原因。图11所示为光滑表面在不同散热时间下，表面温度随测点距离的变化。

图11 光滑表面在不同散热时间下，表面温度随测点距离的变化

由图11可知，当散热时间0 s（传热过临界点）时，表面温度分布接近110℃不变，此时表面与液滴之间有一层空气层，传热基本依靠导热，与液滴之间的对流换热能力基本为零；当散热时间为200 s（传热失效阶段）时，表面温度比初始状态时有所降低，平均温度在 99℃左右，表面温度分布也开始有微弱波动；当散热时间达到转折点350 s（传热能力突变）时，表面温度不均匀性又减弱了，有的表面温度较低，而有的表面温度还维持较高的温度，即表面热量传递有一部分依靠导热，又有一部分依靠对流换热，此时表面与喷雾工质之间空气薄膜已经不连续了；当散热时间达到400 s（传热恢复阶段）时，可以明显看出表面温度下降至 75℃左右，表面温度分布也不均匀，原因是此时主要是依靠喷雾工质与表面之间对流换热，受流动状态影响，表面温度分布不均匀。

分析表面温度的变化可知，在散热失效阶段，温度均超过了喷雾工质的沸点，对比散热时间 0 s和200 s时表面温度从110℃降至99℃，温度下降了10%，虽然还有换热能力，但是相比于喷雾冷却失效前，换热能力被大大削弱。这都表明此时传热以热传导为主，因为当表面达到临界状态后，其表面温度迅速上升，大量液滴汽化形成空气层，而且热沉表面附近的温度梯度进一步变大，当液滴撞击下来时加速度减小，导致液滴在到达热沉表面之前速度锐减，大部分液滴没有足够的速度能够撞击到热沉表面，因此换热效果持续恶化[17-20]。

综上所述，在喷雾冷却失效后的散热过程中，表面温度缓慢降至一定数值后，喷雾冷却的蒸发和沸腾换热方可恢复。因此对于喷雾冷却系统，不能等到表面温度升高到一定程度时再开启喷雾冷却系统，否则表面温度难以迅速降至要求值，将大大影响换热性能。因此在喷雾系统的应用中需要严格控制表面温度，防止表面温度过高时系统冷却功能失效。

3 结论

本文研究了喷雾冷却换热失效阶段，得到光滑表面和微槽道表面温度及传热系数的变化规律，分析了表面温度及表面传热系数的变化规律，得到如下结论：

1）在喷雾冷却失效阶段，光滑表面和槽道传热系数分别为 0.52 W/(cm2·℃)和 0.72 W/(cm2·℃)，远远低于喷雾冷却正常工作得到的表面传热系数，光滑表面与槽道表面平均温度随时间的变化中，均存在温度突变点分别为97.44℃和95℃，只是在槽道表面出现得要比光滑表面晚，此时传热开始从失效阶段向正常阶段恢复；

2）观察表面状态分布情况发现初始阶段有一层白色雾状薄膜，此时表面周围热量通过热传导传递，传热能力锐减。当表面温度降低至沸点时表面中心处液滴开始直接与表面接触。并且更多的表面部分接触到了液滴。直至表面上已经基本没有白色雾状薄膜，可明显观察到液滴与表面接触；

3）在雾冷却失效阶段，散热表面温度分布均匀且缓慢下降，因为此时整个表面传热以热传导为主；当传热能力恢复后，表面温度分布开始波动，由于此时的传热开始以对流换热为主，表面工质流动极大影响表面温度分布。