超声强化传热技术：机理、应用与多参数协同优化研究综述

本综述系统探讨了超声强化传热技术的最新进展，针对高热量电子设备散热难题，研究人员深入分析了声空化与声流两大核心机理及其在单相流、池沸腾、强制对流沸腾和换热器中的应用。研究表明通过优化超声频率、功率及换能器配置可显著提升传热系数（HTC）和临界热通量（CHF），为高性能电子设备热管理提供创新解决方案。

　　

随着芯片集成度的持续提升，电子设备趋于微型化的同时其热通量显著攀升。研究表明当器件温度达到70-80°C时，每升高1°C会导致可靠性下降5%。散热性能已成为影响电子设备可靠性和运行效率的关键因素，尤其在国防和航天等高技术领域更为突出。传统空气和液体冷却技术已无法满足现代高热量电子设备的散热需求，而沸腾传热强化技术展现出显著优势。当前传热强化方法主要分为被动与主动两类：被动方法包括微通道结构优化、表面处理和纳米流体应用等；主动方法则涉及电磁场和超声场等调控技术。其中超声强化传热技术因其优越的可控性受到广泛关注，通过调整超声换能器的位置、方向、功率和频率等参数，可实现特定区域的精确热调控，为微电子设备热管理挑战提供有效解决方案。

本研究系统总结了过去五年超声强化传热技术的最新进展，聚焦三个核心方面：强化机理、实验研究和数值模拟。在机理研究方面，详细阐述了热效应、声空化、声流以及声喷泉和雾化等基础机制；在实验研究方面，全面回顾了在单相流、池沸腾、强制对流沸腾、换热器性能和气泡动力学等领域的 investigations；在参数分析方面，系统评估了超声频率、功率、换能器配置、流速、热通量和过冷度等关键参数对传热性能的影响及其作用机制。

为开展本研究，作者团队采用了多学科交叉的研究方法，主要包括：（1）通过高速显微成像技术观察气泡动力学行为；（2）采用粒子图像测速仪（PIV）分析声流场特性；（3）建立改进的Keller-Miksis方程与NASG状态方程耦合模型研究近壁双空化气泡行为；（4）利用人工神经网络（ANN）和自适应神经模糊推理系统（ANFIS）结合粒子群优化（PSO）算法预测传热性能；（5）通过相位场法（PFM）结合热粘声学模拟揭示表面声波（SAW）对向下表面沸腾的强化机制。

2. 超声强化传热机理

研究表明超声在液体中传播时产生多种物理效应，主要包括热效应、声空化、声流以及声喷泉和雾化现象。其中声空化和声流被确定为液体中超声强化传热的两个主要机制。低频超声（20–100 kHz）以声空化效应为主，产生气泡振荡、生长和溃灭，伴随强烈的冲击波和微射流；高频超声（>100 kHz）主要表现声流效应，产生宏观对流流动。热效应在所有频率范围内都会发生，但由于其能量转换效率相对较低，在传热系统中通常可忽略不计。

3. 超声对传热的影响

在单相流中，垂直于传热方向的超声驻波使传热效率相比自然对流提高达2.5倍，相比纯传导提高11.2倍。在池沸腾中，超声通过调控气泡动力学和边界层，有效激活核化位点，显著增加气泡生成密度，同时促进气泡脱离，减少脱离直径，有效抑制气泡合并，显著提高临界热通量（CHF）。在强制对流沸腾中，超声空化效应通过增加核化密度、提前核态沸腾起始点（ONB）和强化气泡碰撞来显著增强传热系数（HTC）。在换热器中，超声技术通过声空化、声流扰动和热边界层破坏等机制有效提升性能。

4. 超声强化传热相关参数研究

超声频率对强化效果有显著影响，21 kHz比45 kHz具有更好的传热强化效果，低频超声更容易诱导空化并产生更大气泡。超声功率与传热强化呈正相关，提高功率可增加最大空化气泡半径（R_max），增强气泡溃灭时的扰动效果。换能器配置对强化效果至关重要，位于管道中部的换能器可提高局部努塞尔数，而位于通道入口附近的换能器由于入口流动不稳定的干扰，强化效果较差。流速增加会减弱超声效应，在低雷诺数（Re）条件下超声强化效果更显著。热通量升高会降低超声强化效果，在低热通量条件下超声强化更为有效。过冷度增加可增强超声强化效果，在过渡沸腾区域，高振幅超声促进了微气泡发射沸腾（MEB）的发生。

纳米流体与通道结构的协同效应

纳米流体与超声结合展现出显著的协同强化效果，超声振动增强了纳米粒子的布朗运动，提高了流体导热性能，同时防止了颗粒沉积和团聚。通道结构设计与超声的结合产生更好的强化效果，微腔结构通过钉扎效应促进气泡有序脱离，超声激励则增加了气泡与微腔结构之间接触线的不稳定性，加速了小气泡的耗散，两者的结合使用导致更小、更快、更有序的气泡脱离，延迟了合并并保持了液体通路，从而提高了CHF和热稳定性。

本研究通过系统分析超声强化传热的机理、应用和参数优化，为高热量电子设备的热管理提供了重要的理论依据和技术指导。研究发现声空化和声流是超声强化传热的主要机制，其效果受超声频率、功率、换能器配置、流速、热通量和过冷度等多参数影响。低频超声（20–100 kHz）主要通过声空化效应增强传热，产生气泡振荡、生长和溃灭，伴随强烈的冲击波和微射流；高频超声（>100 kHz）则主要依靠声流效应产生宏观对流流动。在单相流、池沸腾、强制对流沸腾和换热器等不同传热系统中，超声均展现出显著的强化效果，尤其在低热通量、低流速条件下效果更为明显。

纳米流体与超声技术的结合产生了协同强化效应，超声不仅增强了纳米粒子的布朗运动，提高了流体导热性能，还防止了颗粒沉积和团聚。通道结构设计与超声的结合进一步提升了传热性能，微腔结构通过钉扎效应促进气泡有序脱离，而超声激励增加了气泡与微腔结构之间接触线的不稳定性，加速了小气泡的耗散，两者的结合使用导致了更小、更快、更有序的气泡脱离，延迟了合并并保持了液体通路，从而提高了CHF和热稳定性。

该研究对电子设备热管理领域具有重要意义，为解决高热量电子设备散热难题提供了创新性的解决方案。通过优化超声参数和工作条件，可实现特定区域的精确热调控，为微电子器件的可靠性和运行效率提供保障。未来研究应关注多尺度耦合模型开发、能效优化和极端条件下的适应性等问题，进一步推动超声强化传热技术在实践中的应用。