微沟槽铜板沸腾换热特性实验研究

刘正阳，付 婷，曾良才，伍妮妮，马世泽

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081)

利用沸腾换热可有效冷却大功率器件。已有研究表明，在沸腾换热过程中，微柱[1]、针状翅片[2-3]、微孔涂层[4]、泡沫铜衬底[5]等结构的表面特性对换热系数(heat transfer coefficient，HTC)和临界热通量(critical heat flux，CHF)具有明显影响作用。Gouda等[6]研究了粗糙度与润湿性不同的微结构表面对沸腾换热性能的影响，结果表明，经过相关处理的粗糙表面所对应的最大HTC及CHF较光滑表面相应值分别增加了188%、152%；马强等[7]采用化学刻蚀法获得了超亲水、亲水、疏水及超疏水等4种润湿性不同的结构表面并进行了沸腾换热可视化实验，结果表明，在结构表面润湿性不同的条件下，发生核沸腾时的气泡生长变化情况各不相同，其中疏水表面的气泡先竖直拉伸长大，再通过颈缩分为上、下两部分，之后上、下部气泡分离，下部气泡残留在表面直接进入下一个气泡生长阶段；Swain等[8]分别使用800、1200、2000目砂纸对铜表面进行打磨并抛光，然后再借助异丙醇、丙酮和乙醇等3种液态工质在粗糙铜表面进行池沸腾试验，结果表明，在不同工质条件下，经800目砂纸打磨并抛光的粗糙铜表面所对应的HTC、气泡成核密度以及CHF均最大；Kim等[9]关于表面粗糙度对沸腾换热性能影响的研究结果表明，超亲水表面的核沸腾HTC随表面粗糙度的增加而增大，粗糙的疏水表面核沸腾HTC在沸腾初期高于光滑表面相应值，之后随温度的上升、热流密度的增大而迅速降至较低水平，CHF也随之减小；Fan等[10]制备了8种测试表面并进行了池沸腾实验，结果表明，CHF不仅受表面粗糙度影响，而且与表面润湿性密切相关；Jaikumar等[11]研究了微沟槽宽度对池沸腾换热性能的影响，结果表明，在过热度为1.7 K的窄通道中，HTC及CHF分别达到2.9 MW/(m2·K)、420 W/cm2。Cooke等[12]研究了开放式微沟槽对池沸腾换热性能的影响，结果表明，当壁面过热度小于10 K时，微沟槽结构表面热通量超过244 W/cm2，HTC最高可达269 kW/(m2·K)；Zhang等[13]研究了非均匀润湿性微沟槽表面对沸腾换热的影响，结果表明，在低热通量下，当微结构表面为疏水性时相应的HTC较高，为亲水性时则相应的CHF较高，并且非均匀润湿性表面能抑制气泡合并，从而提高HTC并降低沸腾起始温度。虽然大多数研究集中在通过改变表面粗糙度或者单一改变表面润湿性来增强沸腾换热效果，但微结构表面润湿性变化对沸腾换热性能的影响机制并不明确，基于此，本文设计制造多组槽宽不同的微沟槽结构进行池沸腾实验，利用高速摄像机观察微沟槽结构表面的气泡动态变化，重点分析了微沟槽结构尺寸变化对池沸腾换热性能的影响。

1 样品的制备与实验

1.1 样品的制备

依次使用2000、5000、7000目砂纸将5块尺寸均为20 mm×20 mm×2 mm的铜板表面打磨成光滑镜面，从而获得亲水性表面[14]，取其中1块铜板作为对照样品(S0)，利用DMG HSC 75 linear型五轴联动数控机床对剩余铜板进行微沟槽结构加工，制备出翅片宽度(a)为0.1 mm、槽深(h)为0.15 mm、槽宽(b)分别为0.08、0.12、0.16、0.18 mm的4组样品，依次标定为S1、S2、S3、S4，样品结构如图1所示，借助奥林巴斯超景深显微镜所拍摄的样品表面三维形貌见图2。从图2中可以看出，4组样品微沟槽结构界面清晰光滑，不过沟槽高度存在微小误差，这应是加工过程中的震动所致。

图1 样品结构示意图

(a) S1 (b) S2

(c) S3 (d) S4

根据Wenzel模型[15]和Cassie-Baxter模型[16]可知，液滴在粗糙表面的接触是一种复合接触，液滴不能完全填满粗糙表面的凹槽，固液之间充满空气，存在固、液、气三相平衡状态，接触角越小则表面润湿性越好，其中Cassie-Baxter模型更契合实际工程问题所涉及到的固体表面。利用光学接触角/表界面张力测量仪测量样品表面静态接触角，结果如图3所示。由图3可见，无沟槽的S0样品表面具有亲水性，4组微沟槽结构样品表面静态接触角随着槽宽的减小而逐渐增大，并且呈现出疏水性特征。

图3 样品的表面接触角

1.2 池沸腾实验与数据处理

1.2.1 池沸腾实验

样品表面池沸腾实验在标准大气压下进行，实验装置见图4，该装置包含沸腾室、冷凝器、测试模块、电源及数据采集系统，沸腾室由有机玻璃管构建以便于高速摄像机拍摄测试样品表面沸腾换热时的气泡变化过程，将2个K型热电偶浸入沸腾室中来测量液体温度。测试模块主体为阶梯型铜方柱(见图5)，其正方形顶面A(20 mm×20 mm)为受热面，铜板样品置于铜方柱顶面处，样品上表面即测试面与液体接触，铜方柱侧面有5个截面直径为1.6 mm、沿侧面法线方向深度为10 mm的圆柱形孔道T1～T5，用于插入K型热电偶来测量相应位置温度，其中T1～T3处于同一水平面B，T2、T4、T5沿同一竖直线分布，平面C为T2与T4之间的中分水平面，L1～L4分别为不同水平面之间的面间距。铜方柱底面有8个截面直径为6 mm、沿竖直方向高度为30 mm的圆柱形孔道，用于插入加热棒来提供池沸腾实验所需热量，加热棒加热功率在0～500 W范围内可调。相关温度数据由AT4108型多路温度测试仪采集并记录。

图4 池沸腾实验装置

图5 测试模块示意图(单位：mm)

进行池沸腾实验时需要注意的是，在实验开始前，先用去离子水将沸腾室清洗干净；在实验过程中持续使用辅助加热棒加热以保证实验始终在100 ℃的饱和温度下进行；在记录数据之前，先使用辅助加热棒将水加热至沸腾状态并保持30 min以去除其它不凝结气体，然后接通加热棒电源给铜方柱加热，以铜方柱温度波动值低于0.2 K/min为稳定状态，待状态稳定后开始记录数据；当温度急剧升高、热通量达到临界值时停止实验并关闭电源，待样品冷却后拆除，之后进行下一个样品测试。

1.2.2 数据处理及误差分析

因进行池沸腾实验时无法直接测得铜方柱顶面A处的温度TA，故本文利用外推法计算该处温度。假设铜方柱沿垂直地面方向为一维导热，根据图5所示的热电偶分布状况，可先计算出水平截面B、C处的平均温度TB、TC，再进一步计算出TA，具体计算公式为:

(1)

(2)

(3)

式中，T1～T5分别为孔道T1～T5处热电偶所测温度。按上述方法，基于TA和TB可迭代计算出铜板样品测试面处的温度Tw。

因实验中仅铜方柱顶面A与液体发生沸腾传热，故采用傅里叶导热定律计算热通量q，计算公式为：

(4)

(5)

式中，ΔT为铜板样品测试面处的过热度，其计算公式为：

ΔT=TA-Tsat

(6)

式中，Tsat为测试液体的饱和温度。

在本研究实验平台中，为检验实验结果的准确性，利用标准误差对相关实验因素进行了不确定性分析[17],结果表明，与热电偶、有效热通量qe、铜板样品上表面温度Tw及过热度ΔT、传热系数H有关的不确定度分别为±0.5%、±6.8%、±3.6%、±4.1%、±7.9%。

2 结果与讨论

2.1 微沟槽结构对气泡动力学的影响

气泡运动如成核、长大、分离及聚结等在池沸腾换热过程中发挥着重要的作用，借助高速摄像机，获得加热条件下铜板样品测试面附近的液体在初始沸腾之前的气泡核化特征，结果如图6所示。由图6可见，对于无沟槽结构的S0样品，成核气泡随机分布于其光滑亲水表面上(图6(a))，而具有微沟槽结构的样品表面则产生了更多均匀气泡且大部分气泡成核于沟槽内(图6(b)～图6(e))，并且样品表面静态接触角越大，气泡成核就越均匀，成核密度就越大。

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

基于池沸腾实验所采集数据，利用式(4)可计算出S0～S4样品在初始核沸腾阶段对应的热通量依次为72.03、64.1、62.69、60.13、40.93 kW/m2，在充分核沸腾阶段对应的热通量依次为233.18、480.63、439.09、416.12、345.82 kW/m2，相应的CHF依次为453.85、945.23、855.13、654.88、595.47 kW/m2，在上述3个阶段中，样品测试表面的气泡成核、长大及脱离过程分别如图7～图9所示。由图7可见，在初始核沸腾阶段，5组样品中以具有光滑亲水表面的S0样品表面成核密度为最低(图7(a))，对于具有微沟槽结构的S1～S4样品(图7(b)～图7(e))，随着样品沟槽宽度变窄，样品表面气泡成核量明显增大且都在沟槽内成核，气泡脱离样品表面时的直径则相应减小。由图8可见，在充分核沸腾阶段，S0样品的光滑亲水表面只有少量成核位点被激活，气泡生成频率低且脱离速度较慢(图8(a))，而微沟槽结构样品的疏水型表面有大量成核位点被激活，此时气泡成核多，生长速度及脱离速度都较快(图8(b)～图8(e))，并且样品表面静态接触角越大，越有利于抑制表面气泡合并。由图9可见，当所有样品测试表面过热度均达到临界值时，表面绝大部分气化核心被激活，从而导致气泡数量密集且直径变大，气泡间相互干涉、不断合并，不过此时S0样品的光滑表面无法检测到单个气泡行为(图9(a))，微沟槽结构样品表面虽仍能观测到均匀的单个气泡，但是气泡脱离时的直径较之前阶段明显增大(图9(b)～图9(e))。

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

池沸腾实验结果表明，具有微沟槽结构疏水表面的样品S1～S4表面沸腾换热性能均优于具有光滑亲水表面的样品S0，其中静态接触角最大的样品S1表面沸腾换热性能最佳，对比分析样品S1与S0表面的气泡运动变化过程，结果如图10所示。由图10可见，在初始核沸腾阶段，S1与S0样品表面都周期性产生气泡并经历了气泡成核、长大、合并、颈缩脱离等过程，不同之处在于S1样品表面不断生成气泡且气泡脱离速度较快，而S0样品表面只有部分成核气泡且成核直径较大、气泡脱离速度缓慢。从图10(a)中还可以看出，在第34.5 ms时有气泡从沟槽内成核并脱离，在第41.3 ms时凸棱上有一层亲水性薄膜，该薄膜能为沟槽内成核气泡补充液体并增加成核的频率。继续增大加热功率以达到充分核沸腾状态，当S1与S0样品测试表面过热度约为18 K时，相应的气泡运动变化特征如图11所示。由图11可见，在充分核沸腾状态下，S0样品的光滑亲水表面上成核点较之前明显增多，气泡脱离频率增大，气泡脱离直径较S1样品相应值更大，样品S1表面气泡生成和脱离较之前进一步加快。图12所示为热通量达到临界值时样品S0和S1表面的气泡运动变化过程。由图12可见，S0和S1样品表面绝大部分气化核心均已被激活，但二者表面气泡形态有较大差异，S0样品表面先直接生成直径为4～5 mm的大气泡，然后气泡生长、脱离，最后多个气泡合并成气泡柱，而S1样品表面则先生成均匀的小气泡，然后小气泡快速合并、脱离，且脱离后的气泡直径较S0样品相应值小得多。

(a) S0 (b) S1 (c) S2 (d) S3 (e) S4

(a)S1 (b)S0

(a) S1 (b) S0

(a) S1 (b) S0

2.2 沸腾换热曲线与换热特性

图13所示为样品热通量随过热度变化的曲线。从图13中可以看出，所有样品热通量都随着过热度的增加而增大，在相同过热度下，微沟槽结构样品热通量均高于S0样品相应值，其中槽宽最窄的S1样品热通量值最大，表明S1样品的换热性能最佳，结合图3及样品CHF计算结果可知，样品表面静态接触角越大，相应的换热表面临界热通量就越高。由图13还可以看出，在初始沸腾阶段，S1样品测试面过热度为3.1 K，而S0样品相应值为7.2 K;在热通量为150 kW/m2的条件下，S1样品测试面过热度较S0样品相应值降低了约54%。图14所示为样品HTC随过热度变化的曲线。由图14可见，所有样品HTC都随着过热度的增加而增大，在相同加热功率条件下，S1～S4样品微沟槽结构表面的HTC均高于具有光滑表面的S0样品相应值，并且微沟槽结构样品表面的HTC随槽宽的减小而不断增大。此外还注意到，S1样品的HTC在低过热度阶段增幅较大，在中、高过热度阶段则平缓增加，而同样具有微沟槽结构的S2～S4样品HTC始终以较平缓的增速随过热度的增加而增大。在实验中观察到所有微沟槽疏水结构样品表面的初始沸腾温度均明显低于S0样品相应值，这表明微结构表面存在大量的气泡成核点，促进了汽泡的生成，从而提高了换热性能。在相同加热功率下，S1样品表面换热性能最佳，应归因于微沟槽结构表面积的增加提供了更大的换热面积，较窄的槽宽改变了样品表面润湿性，加之微沟槽结构内的界面运动，从而对池沸腾中的气泡动力学机制产生了影响。

图13 热通量变化曲线

图14 换热系数变化曲线

2.3 气泡脱离直径与脱离频率

使用高速摄像机拍摄池沸腾实验过程中气泡的动态变化过程，借助处理软件对气泡脱离直径进行测量，获得气泡脱离直径随过热度变化的曲线如图15所示。由图15可见，所有样品表面的气泡脱离直径均随过热度的增加而增大，当过热度相同时，S0样品光滑表面的气泡脱离直径明显大于微沟槽结构样品相应值，而微沟槽结构样品表面的气泡脱离直径又随槽宽的增加而增大，但增幅较小，这表明微沟槽尺寸变化对气泡脱离直径影响较小。

图15 气泡脱离直径的变化曲线

根据池沸腾实验观察及测量结果，通过计算获得气泡脱离频率与壁面过热度关系如图16所示。由图16可见，所有样品表面的气泡脱离频率均随测试面过热度的增加而不断增大，并且微沟槽结构样品表面的气泡脱离频率增速较快，远高于S0样品相应值，在相同过热度条件下，微沟槽结构样品表面的气泡脱离频率随槽宽的减小而增大，这与微沟槽结构对HTC的影响趋势一致(见图13)。在整个沸腾实验过程中，气泡动态变化几乎是连续的，即同一成核位点前后两次气泡成核时间间隔较短，当热通量超过450 kW/m2以后，气泡将不断合并，此时测量气泡脱离频率已没有意义。

图16 气泡脱离频率变化曲线

3 结论

(1)具有微沟槽结构的样品换热性能均优于具有光滑表面的样品，且微沟槽结构样品的换热性能随沟槽宽度的降低、静态接触角的减小而提高。

(2)样品的热通量和换热系数以及样品表面气泡脱离直径、脱离频率均随过热度的增加而增大；在相同过热度下，具有光滑表面的样品的换热系数和热通量以及样品表面气泡脱离频率最小、气泡脱离直径最大，而微沟槽结构样品的换热系数和热通量以及样品表面气泡脱离频率均随沟槽宽度的减小而不断增大，气泡脱离直径的变化趋势刚好相反但变化幅度不大。