嵌入式硅微通道热沉内R1233zd(E)流动沸腾的流型演化、传热与压降特性：红外热成像与高速可视化研究

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Flow boiling behavior of R1233zd(E) in embedded silicon microchannel heat sinks: Flow visualization, heat transfer and pressure drop

　　

研究人员研究了R1233zd(E)在嵌入式硅微通道热沉中的流动沸腾行为。研究将流动可视化与红外热成像（infrared thermography, IR）及测量相结合。随着热流密度（heat flux）增加，压力驱动闪蒸（pressure-driven flashing）向核态沸腾（nucleate boiling）转变。质量通量（mass flux）和通道宽度主要影响核态沸腾起始点（onset of nucleate boiling, ONB）和局部传热系数（heat transfer coefficient, HTC），但不影响平均HTC。压降随质量通量和通道宽度增加而增大。

电子器件集成度和功率密度快速提高，对先进热管理技术提出了更高需求。嵌入式硅微通道热沉（embedded silicon microchannel heat sinks，指将微通道刻蚀于硅片并与加热器集成的热沉）因可贴近热源集成、具有较大的表面积与体积比，并能在流动沸腾（flow boiling）中同时利用显热和潜热，因而受到关注。工质选择直接影响传热性能、压降特性和流动沸腾行为。R1233zd(E)具有低全局变暖潜能值（global warming potential, GWP=1）、零臭氧消耗潜能值（ozone depletion potential, ODP=0）、常压低饱和温度、A1安全分类以及较高表面张力和有利热物性，是微通道流动沸腾的候选工质。已有研究多关注R1233zd(E)的传热与压降，较少结合详细流动可视化分析流型与热性能关系；已有R1233zd(E)可视化研究多涉及较大水力直径（hydraulic diameter, D_h）和较低质量通量，针对D_h<200 μm、不同通道尺寸及高质量通量下的流型演化和气泡行为仍不足。因此，需要将热测量、压降测量与详细可视化结合，以理解其在硅微通道热沉中的流动沸腾机制。

Huigang Wang、Thanh Hoang Phan和Chirag R. Kharangate在四组嵌入式硅微通道热沉中实验研究R1233zd(E)流动沸腾，通道深度均为100 μm、长度均为10,000 μm，通道宽度分别为100、150、200和300 μm。实验质量通量范围为1600–4000 kg/m²·s，热流密度范围为10–164 W/cm²，入口流体温度保持17.5 °C。研究系统考察通道宽度、质量通量和热流密度对平均传热性能、压降、局部HTC、流型演化及压力驱动闪蒸的影响。该研究通过可视化直接提供流型演化和气泡动力学证据，有助于理解环保工质R1233zd(E)在微通道中的流动沸腾机制。

关键技术方法：研究人员搭建R1233zd(E)流动沸腾实验回路，采用齿轮泵、科里奥利流量计、预热器、热电偶和压力传感器控制与测量流量、进出口温度和压力；制备四组嵌入式硅微通道热沉，集成铂蜿蜒加热器、入口针翅（pin fins）和30 μm限流器（flow restrictors），并以Pyrex盖板键合密封；用红外热成像（IR）测量外壁温度分布，用高速可视化（30,000 fps）记录流型与气泡动力学；通过饱和温度关联、压降分解、局部与平均HTC计算及不确定度分析处理数据。该研究不涉及临床样本队列。

3.1 Visualization（可视化）：通过高速相机记录单相与两相流动，研究人员观察到单相区条纹状结构随热流密度增加而更明显，并关联于液相近温度梯度导致密度梯度和光学对比增强；流型包括泡状流、弹状流和环状流，流型依据高速可视化识别。3.1.1 Effect of heat flux on bubble behavior（热流密度对气泡行为的影响）：在恒定质量通量1600 kg/m²·s、300 μm通道中，热流密度71 W/cm²时ONB位于通道中部，下游依次出现弹状流和环状流；热流密度升至129 W/cm²时ONB前移、气泡增长和合并加快，弹状流不易区分，流动快速由泡状流发展为环状流，蒸汽覆盖增加。3.1.2 Effect of mass flux on bubble behavior（质量通量对气泡行为的影响）：在200 μm通道恒定热流下，质量通量2000 kg/m²·s时通道中部前为泡状流、后为环状流；质量通量增至2600 kg/m²·s时ONB移至中部附近，气泡合并变慢，流型过渡后移。3.1.3 Effect of channel width on vapor coverage（通道宽度对蒸汽覆盖的影响）：相同热流和质量通量下，通道越宽蒸汽覆盖越低，因宽通道蒸汽排出能力改善；100 μm通道在约88 W/cm²、2600 kg/m²·s时沸腾约从入口下游四分之一处开始且大部分通道被蒸汽占据，150 μm时ONB稍后移且覆盖减少，200 μm时蒸汽排出增强、沸腾起始接近中部，局部干涸和蒸汽阻塞减少，整体HTC更高。3.1.4 Pressure-driven flashing phenomenon（压力驱动闪蒸现象）：高质量通量下，限流器和突扩造成显著压降，局部低压区促使压力驱动闪蒸；R1233zd(E)低饱和温度使其对压降诱导产汽敏感。300 μm通道、2000 kg/m²·s下，绝热时入口下游出现大量小气泡和入口附近强回流，中段至出口小气泡合并；4.86 W/cm²时闪蒸强度下降、核态沸腾增强；19 W/cm²时闪蒸继续减弱、核态沸腾主导；40 W/cm²时闪蒸消失，中部泡状流、出口环状流。3.1.5 Temperature distribution（温度分布）：红外热图显示，200 μm通道、2000 kg/m²·s、52 W/cm²时单相强制对流使入口壁温最低、沿程壁温升高；89 W/cm²时ONB出现在中部前，ONB后壁温下降且最大壁温降低；热流再增时上游单相区壁温快速升高、最大壁温更高。质量通量增至2600 kg/m²·s时单相最大壁温降低，沸腾时最大壁温变化小，ONB延迟且最大壁温位置后移。300 μm、2000 kg/m²·s、11 W/cm²时多数通道单相，顶部一通道发生压力驱动闪蒸并局部强化传热、壁温较低；53 W/cm²时闪蒸区发展为核态沸腾，局部强化且并联通道温度不均匀增加；70 W/cm²时下半部多数通道沸腾、上部若干通道仍单相，出口上部最高壁温，出现明显流动与热分布不均。

3.2 Local heat transfer coefficient（局部传热系数）：基于温度、压力和流量测量计算局部HTC，局部HTC先因单相热边界层发展而下降，ONB附近达局部峰值，ONB下游泡状/弹状流中下降，环状流液膜蒸发放热再增；上游环状区硅衬底热扩散使局部壁温升高，HTC仅渐增，接近出口热扩散影响减弱，HTC急升。热流密度增加提高局部HTC并使ONB前移；质量通量增加提高入口单相HTC但延迟ONB、使峰值后移，两相区不同质量通量局部HTC相近，因此平均HTC差异小；宽通道单相局部HTC稍高，窄通道ONB前移使ONB附近HTC更高，两相区相近，平均HTC相近。给定平衡干度（equilibrium vapor quality）下，热流密度高者局部HTC高；质量通量高者局部HTC高，但同轴向位置平衡干度较低，部分抵消；100 μm通道低干度时局部HTC略高于200 μm，200 μm通道在更低干度开始快速增加。

3.3 Effect of mass flux on average heat transfer coefficient（质量通量对平均传热系数的影响）：单相区平均HTC随质量通量增加而提高，单相区内随热流密度增加略降；ONB后平均HTC显著提高；两相区质量通量影响较弱，因强化对流与延迟ONB、缩小沸腾区相互抵消；热流密度增加促进更早沸腾和更大成核面积，使平均HTC增加。100 μm、3500 kg/m²·s时平均HTC低于其他质量通量，因仅部分并联微通道沸腾、非均匀沸腾减小有效沸腾面积；300 μm、2000 kg/m²·s时压力驱动闪蒸在低热流下产汽并提高平均HTC，但随热流增加核态沸腾贡献增大、闪蒸贡献下降，通道间温度和沸腾分布强非均匀，平均HTC仍较低。平均HTC在ONB前主要受强制对流控制、ONB后主要受核态沸腾控制；给定出口平衡干度下，高质量通量对应更高平均HTC。

3.4 Effect of channel width on average heat transfer coefficient（通道宽度对平均传热系数的影响）：在相同质量通量重叠条件下，通道宽度对HTC影响较小；200 μm、2600 kg/m²·s样品单相HTC稍高；两相区不同通道宽度平均HTC相近，窄通道ONB稍前移有利于沸腾，宽通道利于排泡和液体补充、减少蒸汽积累，两效应相互补偿；300 μm样品因非均匀沸腾导致HTC显著低于200 μm样品，说明核态沸腾在两相传热中占主导。

3.5 Effect of mass flux on total pressure drop（质量通量对总压降的影响）：压降随质量通量增加而增大；单相区热流密度增加使流体温度升高、黏度降低，摩擦压降降低，总压降渐降；ONB后压降突增，主要因快速产汽及汽液密度差引起加速压降；两相区给定质量通量和通道宽度下，压降随热流密度增加而增大；300 μm、2000 kg/m²·s因压力驱动闪蒸，低热流区压降不下降，随热流增加闪蒸向核态沸腾转变、出口干度增加，压降渐增。

3.6 Effect of channel width on total pressure drop（通道宽度对总压降的影响）：相同质量通量下，较大通道宽度在单相和两相区均显示更高压降；该研究将原因归于30 μm限流器与主通道之间突扩造成的局部压损，突扩损失系数随通道宽度增加而增大，300、200、150、100 μm通道对应系数分别为0.81、0.7225、0.64、0.49；限流器内摩擦压损也随通道宽度增加而增大，因通道截面积增大使限流器内速度增加；300 μm热沉压降显著高于200 μm热沉。

讨论性内容主要体现在结果与结论中：ONB前传热由强制对流主导，ONB后由核态沸腾主导；质量通量和通道宽度通过影响ONB位置、蒸汽排出及非均匀沸腾影响局部与平均HTC；压降受质量通量、热流密度以及限流器突扩结构控制。研究结论翻译如下：第一，观察到单相流、泡状流、弹状流和环状流；热流密度增加使ONB前移并加速流型转变，质量通量增加延迟ONB并减缓流型发展；较窄通道和较高热流密度显示更早沸腾起始和更大蒸汽覆盖，表明气泡受限对流动发展影响更强。第二，高质量通量下观察到压力驱动闪蒸，无加热时通道入口附近也可形成气泡；随热流密度增加，压力驱动闪蒸贡献逐渐减弱，核态沸腾占主导；压力驱动闪蒸可导致并联微通道间蒸汽和温度分布不均。第三，操作条件对传热的影响强烈依赖沸腾状态；单相区提高质量通量因增强对流而提高HTC；均匀沸腾条件下平均HTC对质量通量和通道宽度较不敏感；非均匀沸腾明显降低平均传热性能。第四，局部传热行为与沸腾轴向发展相关；提高热流密度增强局部HTC并使ONB前移；提高质量通量强化单相对流但延迟ONB，较窄通道促进更早沸腾起始；两相区不同质量通量和通道宽度下局部HTC相近。第五，压降随质量通量增加；在当前微通道构型中，较大通道宽度导致更高压降，归因于限流器下游突扩相关局部压损增加以及限流器内摩擦损失增加。