銅基正弦波微通道內流動沸騰傳熱特性試驗研究

姚鑫宇，程瀟，王晗，沈洪，吳慧英，劉振宇

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海200240）

引 言

隨著電子設備中元器件集成度和功率密度的不斷提高[1]，散熱問題在諸如高性能CPU[2]、光伏電池[3]、燃料電池[4]、高功率激光器[5]等應用中日益凸顯，導致設備性能下降[6]和故障率上升[7]。傳統風冷和熱管冷卻等已無法滿足高熱通量的散熱需求，而微通道熱沉由于其高比表面積[8]，在冷卻能力上具有巨大的潛力。

相比單相流，微通道流動沸騰可在較小的流量下獲得更高的換熱性能和更均勻的溫度分布。許多研究表明，壁面粗糙度會影響微通道流動沸騰換熱性能。郭兆陽等[9]研究了燒結型多孔表面管的池沸騰傳熱特性，發現去離子水在多孔管表面的起始沸騰過熱度小于光管，并且大顆粒尺寸多孔層強化傳熱效果優于小尺寸顆粒。Jaikumar 等[10]發現相比光滑表面，多孔表面池沸騰的臨界熱通量提升了2.4倍，傳熱系數最高提升了6.5倍。程云等[11]對比了水在開孔泡沫銅和光管加熱面的池沸騰特性，發現泡沫銅強化了水的池沸騰特性。Sujith 等[12]研究發現粗糙表面能增強氣泡成核并降低流動沸騰壁面過熱度。楊冬等[13]研究了垂直多孔表面管的流動沸騰換熱和阻力特性，發現多孔表面管在強化傳熱的同時并沒有增加過多的阻力。流動沸騰不穩定性會嚴重影響微通道冷卻系統的可靠性。徐法堯等[14]發現由于微通道尺寸小，通道上游可壓縮容積對流動不穩定性影響較常規尺寸通道更大。杜保周等[15]發現在微通道中加入微肋陣可以抑制氣泡的反向流動，從而減小沸騰不穩定性。

直微通道中工質混合程度低、邊界層沿流動方向逐漸增厚，導致其散熱性能下降。波狀通道內產生的二次流能強化流體混合，較直通道具有更好的換熱性能，波狀微通道內的單相流動傳熱已有國內外學者開展研究。Shen等[16]通過數值模擬對比了直微通道和雙層波狀微通道熱沉的換熱特性，發現波狀微通道熱沉換熱性能有所提升。Lin 等[17]數值模擬研究了不同波長和波幅的波狀微通道換熱特性，通過速度矢量圖，發現通道截面處產生的渦流是換熱性能提高的主要原因。Rosaguti 等[18]數值模擬研究了低Reynolds 數下正弦波微通道的換熱特性，發現通道中的Dean 渦隨Reynolds 數以及波幅和波長的比值增大而增加，對于圓形和半圓形截面微通道，正弦波結構帶來的換熱性能提升是壓降損失的1.5～1.8 倍。Zhou 等[19]通過有限體積法，研究了正弦波微通道的流動換熱特性，發現渦旋的出現導致邊界層變薄，其傳熱系數比平直通道提升了2.8 倍。Metwally 等[20]數值模擬研究了均勻壁溫下正弦波紋板微通道的層流換熱流動特性，認為橫向渦流的出現與波幅和波長的比值、Reynolds 數Re 和Prandtl 數Pr 有關。Sui 等通過數值模擬發現，與直微通道相比，波狀微通道傳熱系數提高153%，壓降損失僅增大54%[21]；他們進一步加工銅基正弦波微通道，通過實驗驗證了模擬結果[22]。Rush 等[23]實驗觀察到正弦波微通道中的渦旋，發現流動不穩定起始點隨Reynolds 數增大，逐漸從出口向入口移動。Huang等[24]研究不同相位差正弦波硅微通道內單相流的流動摩擦特性和傳熱系數，發現當Re＞250，正弦波微通道的換熱性能比直微通道有了顯著的提升。Khoshvaght-Aliabadi 等[25]以水和乙二醇混合物作為工質，研究了五種正弦波鋁微通道的散熱性能，發現傳熱系數和壓降隨著正弦波波長減小或振幅增大而增大。

現有文獻報道中，大部分波狀微通道工作在單相流區域，而有關波狀金屬微通道內流動沸騰換熱的試驗研究鮮有報道。Tiwari 等[26]數值研究了波狀微通道內的流動沸騰特性，發現其換熱性能的提升是由于波狀結構可提高氣泡數密度并擾動邊界層。Xia 等[27]通過試驗對比了正弦波和直型硅微通道內的流動沸騰特性，發現波狀壁面結構可避免局部蒸干，從而穩定地強化換熱。

超快激光加工作為一種新型微通道加工技術，可在通道壁面加工出多孔結構，并具有加工時間短、精度高等優勢[28]。利用超快激光可在金屬基板上加工出幾乎任意尺寸和形狀的彎曲微通道。

本文利用超快激光微加工技術，加工了具有三角形橫截面的銅基正弦波彎曲型（SW）微通道，以去離子水為工質，在不同質量流量和熱通量條件下開展了流動沸騰傳熱試驗研究。試驗獲得了微通道壓降和換熱特性，并通過可視化系統觀察通道下游的流型變化，分析了波狀微通道強化換熱機制和流動沸騰不穩定性。

1 試驗系統

1.1 試驗裝置

圖1 試驗系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

如圖1 所示，去離子水由注射泵(Harvard Apparatus Pump33 DDS)輸送至測試段。去離子水通過磁力攪拌油浴鍋，預加熱至特定溫度，經由過濾器后進入測試段。試驗過程中，去離子水由聚酰亞胺薄膜電加熱膜加熱，通過直流穩壓電源(GPS-2303C GWINSTEK)精確控制加熱功率，氣液兩相流在冷凝器中冷卻并最終被回收。

在測試段內沿流動方向依次布置了6 根T 形熱電偶(Omega)。通道壓降由兩個壓力傳感器(Druck PMP 5076)測量。溫度和壓力數據由高頻數據采集系統(Agilent 34970A)記錄。通過高速攝像機（Phantom Miro M310）實現對微通道內流動型態觀察，拍攝幀率2000幀/秒，分辨率為640×480像素，曝光時間為200 μs。

如圖2 所示，測試段由透明PC 蓋板、微通道熱沉、聚酰亞胺加熱膜和玻璃纖維G10基座組成，通過不銹鋼螺絲螺母實現封裝?；膬擅娣謩e布置有兩個測溫孔和兩個測壓孔，用于測量進出口溫度和壓力。為降低多通道熱沉的進口流量分配不均勻影響[29]，在測試段兩端設計了進出口聯箱。聚酰亞胺加熱膜依照熱沉尺寸設計，緊貼熱沉背面，提供均勻熱流。微通道熱沉的尺寸為20 mm×10 mm×1 mm，利用超快激光加工了20 條正弦波微通道，正弦波遵循以下函數表達式

對于SW#1 和SW#2 微通道，波長L 分別為2000 μm 和1000 μm，振幅C 均為100 μm，通道寬度D 均為200 μm。為實現更精確的溫度測量，在熱沉背面加工有4 條溝槽，間距4 mm，并將熱電偶埋設其中。直微通道通過相同的激光參數加工而成，圖3 展示了三種微通道的示意圖和實物圖。微通道截面形狀均為倒立等腰三角形，每個通道寬度為200 μm，深度為573 μm。

圖4 為微通道側壁面的掃描電鏡圖像，可觀察到超快激光加工的微通道壁面具有多孔粗糙結構。微通道表面多孔結構的形成與超快激光加工的動態過程有關。當激光束通過透鏡照射到工作材料表面時，能量集中在極小的面積上。光斑中心的材料比邊緣處吸收更多的能量，這導致在中心處熔化的液態金屬會被排到外圍并迅速凝固，形成粗糙表面。多孔粗糙結構能夠增大換熱面積，并為核態沸騰提供充足的成核點。

1.2 數據處理及誤差分析

有效加熱功率Qeff和有效熱通量qeff為

其中，U 和I 為穩壓源提供的電壓和電流，φ 為保溫系數(由試驗測得),Abot為熱沉底面積。

Tw,x為當地壁面溫度，由一維穩態導熱假設計算得

其中，Tbot,x為熱電偶直接測量得到的底面溫度，δ和k分別為熱沉厚度和銅熱導率。

質量流量為

圖2 測試段示意圖Fig.2 Schematic diagram of test section

圖3 三種微通道示意圖Fig.3 Schematic diagram of three kinds of microchannels

圖4 微通道壁面掃描電鏡圖Fig.4 SEM image of side wall

其中，Ac為單個微通道截面積，v 為體積流率，ρ為流體密度，N為通道數。當地傳熱系數為

其中，Amc為微通道總加熱面積，Tf,x為當地流體溫度。

出口干度為

其中，γ和cp分別為流體汽化潛熱和比熱容,Tsat為流體飽和溫度，Tf,in為進口流體溫度。

注射泵提供精確的體積流量控制，精度為±0.25%，壓力傳感器的測量精度為±0.1%，T 形熱電偶的測量精度為±0.2℃，直流穩壓源輸出電壓電流的精度為±0.5%，通道截面尺寸由超景深顯微鏡（VHX5000）測量得到，精度為±2%。根據Moffat 不確定度理論[30]，試驗中各主要物理量的不確定度如表1所示。

表1 試驗誤差Table 1 Experimental error

1.3 試驗步驟

試驗開始前，將去離子水煮沸以去除其中的不凝性氣體。設置注射泵輸運流量，工質經油浴鍋預熱后進入測試段。為減少試驗過程中的熱損失，整個測試段用保溫棉包裹。當溫度、壓力數據穩定后，通過數據采集系統和可視化系統記錄溫度壓力數據、拍攝流型圖像。本次試驗采用三種不同質量流量(43.43、65.14、86.86 kg/(m2·s))，熱通量變化范圍為0～300 kW/m2。

2 結果分析與討論

2.1 通道壓降

圖5 給出了微通道壓降隨有效熱通量的變化。在單相流階段，有效熱通量的增加導致流體溫度升高，黏度降低，流動阻力減小。因此通道壓降隨有效熱通量增加而緩慢下降。在進入沸騰兩相流階段后，氣泡形成、長大并逐漸占據通道內的受限空間，導致通道壓降的急劇上升。由于波狀的通道結構，正弦波微通道平均壓降較直微通道提高了14.4%。在相同熱通量下，壓降在單相階段隨著質量流量減小而降低；但在沸騰兩相流階段，氣泡對通道的堵塞成為壓降增大的主導因素。在較低的質量流量下，氣泡更容易堵塞通道，因此在沸騰兩相流階段，壓降隨著質量流量的減小而增大。

2.2 當地傳熱系數

圖5 通道壓降隨有效熱通量的變化Fig.5 Variation of channel pressure drop versus effective heat flux

圖6 當地傳熱系數-出口干度曲線Fig.6 Local heat transfer coefficients as a function of outlet vapor quality for SW#1 microchannels

圖6 給出了SW#1 通道中當地傳熱系數隨出口干度的變化。當0＜xo＜0.04時，由于工質相變潛熱的迅速吸收，傳熱系數急劇上升。結合通道下游流型圖可發現，氣泡成核往往發生在凹形區域。沸騰初始階段的換熱主導機制是核態沸騰，其換熱強化是由于氣泡和壁面間的液膜蒸發和泡狀流帶來的強烈擾動。隨著有效熱通量的增加，出口干度逐漸提高，拉長的彈狀氣泡逐漸占據通道，在這一階段，彈狀氣泡和壁面間的薄液膜蒸發逐漸占據主導，核態沸騰被抑制，只能觀察到少量小氣泡在液膜中產生。當0.04＜xo＜0.06 時，由于局部液膜蒸干現象的出現，傳熱系數迅速下降。當xo＞0.06 時，彈狀流逐漸轉變為環狀流，穩定的薄液膜蒸發成為換熱主導機制，核態沸騰被完全抑制，此時當地傳熱系數隨出口干度的變化趨于穩定。

圖7 當地傳熱系數對比Fig.7 Comparison of local heat transfer coefficients

圖7對比了相同質量流量下直微通道和正弦波微通道的當地傳熱系數?？梢钥吹皆趩蜗嗔骱秃藨B沸騰階段三種微通道傳熱系數的曲線基本重合，而在薄液膜蒸發階段，直微通道的傳熱系數隨熱通量增加而迅速下降。而SW#1 和SW#2 微通道傳熱系數下降較緩。當qeff= 113.9 kW/m2時，SW#1 和SW#2 微通道的傳熱系數分別比直微通道提高了48.2%和127.7%。

2.3 流動沸騰不穩定性

圖8給出了微通道流動沸騰時溫度和壓降的振蕩情況。對于直通道和正弦波通道，出口溫度均保持在飽和溫度（100℃）附近。如圖8(a)所示，直通道壁面溫度的振蕩周期約為6 s，Tw,1,Tw,2,Tw,3,Tw,4的振幅分別為33、27、25、17℃。如圖8(b)所示，SW#2 微通道熱沉的壁面溫度振蕩周期約為10 s，Tw,1,Tw,2的振幅分別為10、5℃，Tw,3和Tw,4基本保持不變。溫度振幅在微通道上游處更大，正弦波微通道的溫度振蕩頻率和振幅均比直微通道低，其流動沸騰過程更為穩定。圖8(c)給出了兩種不同微通道內壓降的振蕩情況，正弦波微通道平均壓降高于直微通道，但壓降的振幅明顯受到抑制。

流動沸騰不穩定性可歸因于以下幾點：（1）氣泡和壁面間的液膜快速蒸發導致局部干涸，壁面溫度突然上升；隨著氣泡從成核點脫離，液體重新潤濕壁面，溫度下降。對于正弦波微通道，凹形區域可為氣泡生長提供充足液體，減少局部干涸現象。（2）當成核區靠近通道進口時，回流方向流動阻力減小，回流現象更易發生。由于正弦波微通道具有更大的換熱面積，其壁面平均溫度較直微通道更低，延緩了成核區向上游移動。（3）如圖8(a)、(b)所示，由于可壓縮容積的存在，氣泡在直微通道內同時向上游和下游方向生長。而在正弦波微通道內，彎曲壁面結構導致阻力增加，氣泡難以向上游延伸長大，從而抑制了流動不穩定發生。

圖8 直微通道和正弦波微通道內溫度和壓降振蕩Fig.8 Fluctuations of temperature in straight and SW#2 and fluctuations of pressure drop(G=43.43 kg/(m2·s),qeff = 99.8 kW/m2)

3 結 論

本文借助超快激光微加工技術在銅基表面加工出正弦波彎曲型微通道，以去離子水為工質，對波狀微通道內流動沸騰傳熱特性進行了試驗研究，得到以下結論。

（1）超快激光微加工技術在金屬微通道加工中具有巨大潛力，可加工出多孔粗糙表面，利于氣泡成核。

（2）在沸騰初始階段，核態沸騰為換熱主導機制；隨著熱通量的提高，流型經歷泡狀流-彈狀流-環狀流的轉變，換熱主導機制由核態沸騰過渡到薄液膜蒸發。

（3）波狀通道壁面結構增大了換熱面積，凹形區域內儲存的液體可避免局部蒸干。彎曲微通道較直微通道傳熱系數最大提高127.7%，壓降僅增加14.4%。同時流動不穩定性也得到了有效的抑制。