在非均匀加热条件下，对并联微/迷你通道散热器中流动沸腾不均匀分布的实验与分析研究

《COMPUTERS and EDUCATION》：Experimental and analytical investigation of flow boiling maldistribution in parallel mini/micro-channel heat sinks under non-uniform heating conditions

本研究通过实验和理论分析，揭示了非均匀热流下并行微/小通道热沉中流动不均分布的机理，重点探讨了压力耦合不稳定性和蒸汽回流的影响，并提出了量化参数R*，发现当R*≈1.58时流动不均最显著，同时揭示了多通道系统中热力学与流体动力因素的耦合作用。

　　在现代电子与电力设备的快速发展背景下，对高效散热技术的需求日益增长。随着设备的微型化和轻量化，组件的热通量显著增加，传统的散热方式已难以满足高热通量设备的散热需求。因此，研究和开发专门用于高热通量设备的热管理系统成为关键课题。本文探讨了在非均匀热通量条件下，平行微型/微通道散热器中两相流沸腾的流动不均匀现象及其背后的机制，特别关注了关键的不稳定性现象。研究团队通过实验和分析方法，揭示了这些不稳定性如何影响流动分布，并提出了新的参数来量化这种影响。

两相流在平行微型/微通道散热器中的应用具有重要意义，因其在热传导效率方面表现出显著优势。相比单相流，两相流沸腾可以利用显热和潜热，从而实现更高的热传导系数，并在饱和温度下保持流体温度恒定。这种特性使得两相流成为高热通量应用中的理想选择，例如电动汽车电池管理系统、航空电子设备、氢燃料堆和火箭发动机等。然而，尽管两相流在热管理方面表现出色，其应用仍面临一些挑战，包括较高的压降和流动不稳定性问题。

在微型/微通道中，两相流的压降通常高于宏观通道，这是因为摩擦梯度的增加。而在两相流沸腾过程中，压降的增加更加显著，这可能导致压缩性、闪蒸和两相流堵塞等现象。此外，两相流的流动不稳定性源于其固有的压缩性，特别是在非均匀加热条件下，这种不稳定性可能更加复杂。例如，当流体在通道内经历相变时，由于通道体积较小，反向流动可能发生，从而引发周期性流动，导致局部干涸或提前临界热流（CHF）现象。这些现象表明，两相流的流动不稳定性与热响应之间存在耦合效应，这对热管理系统的可靠性和效率具有重要影响。

为了更好地理解和控制这些流动不均匀现象，本文引入了一个新的参数——修正的不稳定性参数R*，用于量化流动分布中的正向和反向力之间的相对主导作用。研究发现，R*与流动不均匀程度之间存在强烈的相关性，最严重的流动不均匀通常出现在R*≈1.58附近。流动阻力在单个通道中的作用尤为关键，这种阻力由热效应和流体动力学因素共同决定。与单相流不同，两相流沸腾对热通量、入口过冷度和蒸汽回流高度敏感，这些因素共同影响了流动分布的均匀性。

在实验中，研究团队设计了一个包含16个通道的测试模块，以更贴近实际应用的配置进行研究。与以往仅使用两个通道的实验相比，这种多通道系统能够更清晰地观察到入口腔室温度分布对流动分布的影响。此外，实验还考虑了非均匀加热条件，以模拟真实应用场景中的复杂情况。通过高速成像和流体及散热器温度测量，研究团队能够可视化入口腔室内的流动分布，并观察蒸汽回流对流动分布的影响。

研究还揭示了流动分布与入口腔室热特性的关系。在入口腔室中，温度分布的变化会影响各个通道的入口条件，进而改变流动分布的模式。例如，当蒸汽回流进入入口腔室时，会提升局部温度，改变流动惯性，并重新塑造各通道之间的流动分布。这种耦合效应表明，入口腔室的热特性在流动分布中扮演着至关重要的角色。因此，为了更准确地预测和控制流动不均匀现象，必须综合考虑动态不稳定性与热非平衡的影响。

在实验过程中，研究团队采用了直接的流量测量方法，提高了测量的准确性。与以往依赖于经验公式和间接测量的方法相比，这种直接测量方法能够更精确地捕捉两相流的流动特性。此外，研究还探讨了不同操作条件对流动分布的影响，包括热通量分布、质量速度和入口温度。通过定量评估这些参数对流动分布的影响，研究团队能够更深入地理解流动不均匀的机制，并为未来的热管理系统设计提供理论支持。

为了更全面地分析流动不均匀现象，研究团队还考虑了入口腔室内的压力分布和流动特性。传统的研究通常假设入口腔室内的压力均匀，但本文指出，实际应用中，由于流体动力学和热特性的差异，入口腔室内的压力分布可能不一致。这种不一致性可能导致流动分布的进一步不均匀，从而影响散热效果。因此，为了更准确地预测流动分布，必须考虑入口腔室内的压力分布和热特性。

在实验中，研究团队发现，流动不均匀现象与动态不稳定性密切相关。例如，当操作点处于不稳定性区域时，流动分布可能会发生周期性波动，导致流动不均匀的加剧。这种波动可以通过观察入口腔室内的蒸汽回流行为来识别。蒸汽回流不仅改变了入口腔室内的温度分布，还通过反馈机制影响了流动分布的模式。因此，为了有效控制流动不均匀现象，必须对蒸汽回流进行深入研究，并考虑其对流动分布的影响。

此外，研究还探讨了不同类型的流动不稳定性，包括静态不稳定性和动态不稳定性。静态不稳定性（如LED）通常由单一事件引发，导致操作点从初始位置移动到新的稳定位置。而动态不稳定性（如PDO和DWO）则表现出周期性波动，其发生与外部特征曲线和内部特征曲线的相互作用有关。例如，当外部特征曲线的斜率小于内部特征曲线的斜率时，PDO可能发生，而当外部特征曲线的斜率接近内部特征曲线的斜率时，DWO可能被触发。这些不稳定性之间的相互作用使得流动分布的预测变得更加复杂，因此需要更系统的实验和理论分析。

研究团队还指出，尽管已有大量关于流动分布的研究，但在非均匀加热条件下，流动分布的详细机制仍未完全阐明。这主要是由于实验设置的复杂性、测量方法的局限性以及缺乏足够的数据支持。为了克服这些困难，本文通过实验和分析方法，揭示了流动分布的复杂机制，并为未来的热管理系统设计提供了新的见解。通过这些研究，可以更有效地预测和控制流动不均匀现象，从而提高热管理系统的可靠性和效率。

在实验中，研究团队还发现，流动分布不仅受到操作条件的影响，还与通道之间的相互作用密切相关。例如，当某些通道的热通量较高时，可能会导致蒸汽回流，从而改变入口腔室内的温度分布，进而影响其他通道的流动特性。这种相互作用使得流动分布更加复杂，因此需要对各通道之间的动态行为进行深入研究。此外，研究还指出，入口腔室内的温度分布和压力分布是影响流动分布的关键因素，必须在热管理系统的设计中予以充分考虑。

为了进一步揭示流动分布的机制，研究团队还探讨了不同操作参数对流动分布的影响。例如，热通量分布的变化可能导致某些通道的流动速率显著高于其他通道，从而引发流动不均匀现象。质量速度的变化同样会影响流动分布，因为质量速度决定了流体在通道内的流动特性。此外，入口温度的变化也可能导致流动分布的不均匀，因为入口温度会影响流体的热响应和流动惯性。

研究团队通过实验和数据分析，揭示了这些操作参数如何影响流动分布的均匀性。例如，在非均匀加热条件下，某些通道可能会出现较高的热通量，导致蒸汽回流和流动不均匀的加剧。而在均匀加热条件下，流动分布可能更加均匀，因为所有通道的热通量和入口条件相对一致。这些发现表明，流动分布的均匀性不仅取决于操作参数，还受到通道之间相互作用的影响。

为了更准确地预测流动分布，研究团队提出了新的理论模型，考虑了入口腔室内的温度分布和压力分布。这些模型能够更全面地反映流动分布的机制，并为未来的热管理系统设计提供理论支持。此外，研究还指出，流动分布的预测必须结合动态不稳定性与热非平衡的影响，因为这些因素共同决定了流动分布的模式。

在实验中，研究团队还发现，流动分布的不均匀性可能导致局部过热和热点的形成，这对设备的寿命和性能具有重要影响。因此，为了提高热管理系统的可靠性，必须采取措施减少流动分布的不均匀性。这可以通过优化入口腔室的设计、控制热通量分布以及提高测量精度来实现。此外，研究还指出，流动分布的不均匀性可能与蒸汽回流和动态不稳定性密切相关，因此需要对这些现象进行深入研究，以更好地理解和控制流动分布。

综上所述，本文通过实验和分析方法，揭示了两相流在平行微型/微通道散热器中的流动不均匀机制，并探讨了不同操作条件和不稳定性类型对流动分布的影响。研究团队引入了新的参数R*，用于量化流动分布中的正向和反向力之间的相对主导作用，并发现R*与流动不均匀程度之间存在强烈的相关性。此外，研究还指出，入口腔室的热特性和压力分布是影响流动分布的关键因素，必须在热管理系统的设计中予以充分考虑。通过这些研究，可以更有效地预测和控制流动不均匀现象，从而提高热管理系统的可靠性和效率。