喷嘴出口尺寸和边缘形状对毫米级扫掠喷嘴瞬态闪蒸喷雾冷却性能的影响

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Effects of nozzle exit size and edge shape on transient flash spray cooling performance of a millimeter-scale sweeping nozzle

　　

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  d/D≥ 4.0 导致扫掠失效，立即冷却但峰值热流较低。
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  锐利出口（d/D≈3–3.5）维持扫掠：最低 -21.9°C，峰值热流 147 W/cm2。
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  弧形 d/D= 4.0 喷嘴避免了膜沸腾平台，拓宽了安全运行范围。
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  弧形边缘缩短了响应时间，但恶化了横向温度均匀性。
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  扫掠产生延迟冷却波，增强了横向温度均匀性。

引言

现代电子系统——从功率变换器到高性能微处理器——的持续小型化和不断增长的功能密度，加剧了热管理的挑战 [1], [2]。虽然许多器件的面积平均热流密度仍然适中，但局部热点（通常为 0.5 – 5 mm2）产生的热流密度可能比芯片平均值高出一个数量级，造成严重的空间和时间温度梯度，从而危及可靠性和使用寿命 [3], [4], [5]。这一挑战在电动汽车中尤为紧迫，因为车载 AI 芯片和高功率密度驱动电机在紧凑的封装舱内产生强烈的瞬态热负荷。传统的冷却方案，如各种热管和均温板构型（表 1），往往难以对这些瞬态局部负荷做出快速响应，而且许多方案的工作温度接近或超过关键部件的最高允许温度 [3], [4]。例如，即使在 0.2 到 7.2 W/cm2 的适中热流密度下，用于电池、移动处理器和航空电子设备的系统也经常超过其推荐的热限值 [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]。这种持续的性能差距凸显了对冷却技术的需求，这些技术不仅要能够耗散高瞬态热流，还必须能够快速适应变化的负荷分布，并将温度过冲降至最低。

在主动冷却技术中，喷雾冷却因其通过液滴撞击和相变提供高传热系数的能力而备受关注 [17], [18]。然而，其性能对喷嘴工作条件高度敏感——液滴尺寸、速度和空间分布都显著影响传热和表面温度均匀性 [19], [20], [21], [22]。虽然引气式喷嘴广泛用于环境喷雾应用 [23], [24], [25]，但当目标热流密度极高且必须维持低表面温度时，闪蒸喷雾冷却提供了一种有吸引力的替代方案 [26], [27]。通过将加压的低沸点液体排放到低压环境中，剧烈的闪蒸蒸发产生细小、快速液滴组成的细雾，迅速吸收热量 [28], [29]。该过程可以提高低温冷却效率（例如，在 -60°C 时提高 10% [30]），并产生比传统喷雾更快的热响应 [31], [32], [33]。然而，闪蒸喷雾的实际应用受到喷嘴设计的阻碍，这些设计通常产生不均匀的液滴场和不稳定的喷雾模式，导致液膜沉积不均匀以及局部干涸或淹没 [34], [35], [36]。

已经探索了几种策略来改善闪蒸喷雾的均匀性和稳定性，包括带有膨胀腔的新型喷嘴，通常延长液体停留时间以促进内部相变 [37]，以及将喷雾与同轴空气射流耦合以改变液滴输运 [38], [39], [40], [41], [42], [43]。虽然这些方法可以增强传热，但它们经常引入额外的流动不稳定性或不对称分布 [38], [39], [40], [41], [42], [44]。在本文作者团队最近的工作中，Qenawy 等人 [45], [46], [47] 提出了一个根本不同的概念：一种结合内部膨胀和自持流体振荡的振荡设计。该设计依赖于 Coanda 效应和被动反馈通道来产生周期性振荡流动，避免了运动部件 [48], [49], [50], [51], [52]。在这种构型中，混合区域同时转变为膨胀体积，其中闪蒸沸腾通过湍流混合得到强化，而振荡运动提供间歇性冷却剂输送，防止过量的液体积聚。然而，在 Qenawy 等人 [45], [46], [47] 的初步研究中，当喷嘴到表面的距离为 $y/D$ = 15 时，扫掠喷嘴意外地表现不如简单的直喷嘴。在这个距离下，扫掠运动在撞击区沉积了相对较厚、连续的液膜。厚膜起到额外的热阻作用：在新到达的液滴能够直接接触热表面之前，必须对其进行显热冷却和部分蒸发，从而延迟或削弱峰值对流传热。同样的实验还表明，当喷雾被允许进一步扩散——通过增加距离或扩大振荡包络——沉积的膜明显变薄，传热得到改善。这一观察表明，膜厚度而非喷雾本身的冷却能力才是限制因素。这进一步表明，如果喷雾形态可以被塑形以将液体更广泛、更均匀地分布在目标上，则可以克服与厚膜积聚相关的热损失。因此，本工作专门操纵出口尺寸和边缘轮廓，以改变喷雾覆盖范围，进而改变推断的表面润湿行为。这意味着喷雾形态（决定沉积表面膜行为的覆盖范围和厚度）已成为控制闪蒸喷雾扫掠喷嘴有效性的关键参数。

已知流体振荡器的喷雾形态对出口几何形状高度敏感，包括出口尺寸和出口边缘的轮廓 [53], [54], [55]。此外，将振荡器缩小到典型的闪蒸喷雾尺寸（通常在 ≈ 1.0 mm 内）会深刻改变其动态行为：小喷嘴可以产生更高的振荡频率，但代价是更低的扫掠角，而且频率变得依赖于流体，随密度和粘度变化 [56], [57], [58], [59], [60], [61]。尽管有这些认识，但闪蒸沸腾、自持振荡和毫米级出口几何形状的联合效应从未被系统地研究过。特别是，先前没有研究考察过出口尺寸和边缘形状如何调节低沸点流体在扫掠喷嘴中的耦合振荡、闪蒸雾化、表面润湿行为以及由此产生的瞬态传热。因此，本工作的新颖性体现在三个方面：（1）确定了一个关键的几何阈值，超过该阈值，连贯的扫掠机制会坍缩为中心线附着的撞击；（2）建立了出口几何形状、喷雾形态和瞬态传热特征之间的定量联系，包括控制横向均匀性的级联热波；（3）证明出口几何形状可用于调节峰值热流、响应时间和空间均匀性之间的权衡。一个进一步的实用优势是，基于 R134a 的扫掠喷嘴冷却器可以作为现有车辆热泵回路的支路集成，无需专用的二次冷却回路。

本工作通过实验研究使用 R134a 作为工作流体的 1 mm 级扫掠喷嘴的闪蒸喷雾冷却，弥补了这一空白。具体假设是，通过改变喷嘴出口直径和边缘轮廓（锐利 vs. 弧形），可以控制喷雾形态，进而重塑表面润湿行为，从而同时改善瞬态传热幅度和空间冷却均匀性。该研究评估了四种出口尺寸（$d/D$ = 2.5、3.0、3.5 和 4.0）的锐利和弧形出口边缘。一个专门设计的装置配备九个嵌入式 K 型热电偶来捕捉表面温度，同时使用增强的 Duhamel 方法来恢复瞬态表面热流。同步高速散射-照明成像解析喷雾结构及其非稳态动力学。主要目标是阐明出口几何形状、喷雾形态、表面润湿行为和动态传热之间的关系，从而为推进闪蒸喷雾技术面向下一代高功率电子器件的先进热管理提供设计框架。本研究未直接测量液膜厚度；薄膜动力学根据喷雾形态和瞬态热响应进行推断，如第 3.2 节所述。

章节摘要

喷嘴设计与制造

本研究采用的喷嘴遵循 Qenawy 等人 [45], [46], [47] 最初展示的扫掠射流原理，如图 1a 所示。在这种设计中，自持振荡流动在没有运动部件的情况下产生：主流的一部分通过反馈通道被引导到控制口，导致射流通过 Coanda 效应周期性地改变方向。内部混合体积也充当膨胀室，促进闪蒸喷雾和

瞬态传热

图 4 显示了在距离 $y/D$ = 10 时，基准锐利边缘扫掠喷嘴的瞬态表面温度和热流。在喷雾开始之前，基底被均匀预热至 70°C。打开电磁阀后，中心线位置（$x/$D = 0 和 5）经历急剧的温度下降，达到最低 -21.7°C，而外围区域（$x/D$ = 25 和 40）冷却更为平缓且深度较小。这种空间选择性是

结论

本研究通过实验表征了使用 R134a 的毫米级扫掠喷嘴的瞬态闪蒸喷雾冷却性能，重点关注出口直径和边缘轮廓的耦合效应。新颖之处在于确定了区分连贯扫掠和坍缩撞击的几何阈值，并证明了出口几何形状可用于调节峰值热流和空间均匀性之间的权衡，为扫掠喷嘴闪蒸提供了设计指南

CRediT 作者贡献声明

Jiameng Tian: 写作 – 初稿，调查，正式分析。 Yuchen Zhu: 可视化，验证，概念化。 Mohamed Qenawy: 写作 – 审阅与编辑，方法论，资金获取。 Mona Ali: 验证，软件。 Kai Yu: 资源，调查。 Dong Liu: 监督，概念化。 Zhentao Wang: 监督，数据管理。 Junfeng Wang: 验证，监督。 Bin Chen: 监督，项目管理。

利益冲突声明

作者声明，他们不知道有可能影响本文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金 编号 (52476153, W2433130, 52076405)，中国博士后科学基金 编号 (2025M770606) 以及 江苏省青年科技人才托举工程 编号 (JSTJ-2024–226)。

Jiameng Tian|Yuchen Zhu|Mohamed Qenawy|Mona Ali|Kai Yu|Dong Liu|Zhentao Wang|Junfeng Wang|Bin Chen