脉冲热流密度下微通道内瞬态流动沸腾的实验研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Experimental study on transient flow boiling in microchannels under pulsed heat flux

　　

摘要

微通道内的瞬态流动沸腾与脉冲热负荷下的热管理高度相关，然而通道几何形状对传热强化和流动稳定性的耦合效应仍然理解不足。本研究通过实验研究了四种硅微通道配置，包括光滑微通道 (S-MC)、槽纹微通道 (G-MC) 以及正向和反向排列的特斯拉型微通道 (T-MC-F 和 T-MC-R)，使用的工质为 HFE-7100，质量流速为 1980 kg/(m²·s)，脉冲热流密度为 51–119 W/cm²。结果表明，随着热冲击强度的增加，根据 S-MC 和 G-MC 的响应，测试条件可大致分为稳定、过渡和不稳定状态。随着热流密度的增加，S-MC 和 G-MC 表现出入口回流和出口局部干涸，并伴有明显的壁面温度波动、压降振荡和传热系数 (HTC) 恶化。相反，特斯拉型通道，特别是 T-MC-R，能够维持沿壁面具有连续液膜的稳定两相流。在这四种结构中，T-MC-R 表现出最佳的整体热 - 水力性能，平均 HTC 相对于 S-MC 提高了 118%，平均性能评估准则 (PEC) 达到 1.733。本研究为脉冲热负荷下增强瞬态流动沸腾性能并改善热 - 水力稳定性的微通道散热器的设计提供了有用的指导。

引言

随着集成度和功率密度的持续增加，电子设备面临着日益严峻的热约束。在某些应用中，局部热流密度可超过 10³ W/cm²，不充分的散热可能直接限制性能和可靠性 [1], [2]。实际上，热负荷通常是瞬态的，而不是严格恒定的 [3], [4], [5]。典型的例子包括由工作负载引起的处理器功率变化、脉冲雷达运行和高功率 T/R 模块的周期性运行。这些运行模式可能涉及热输入的快速增加，随后是一个有限的高功率时期 [6], [7]。在这种情况下，热输入可能表现出阶跃状、脉冲状或准周期性的变化，这会导致温度迅速升高和强烈的短期波动。这些热冲击可能进一步引起热机械应力、焊点失效甚至热失控 [8]。因此，高热流密度下的瞬态热管理已成为先进电子冷却中的一个重要问题。

微通道流动沸腾被广泛认为是一种有前景的冷却方法，因为它可以在紧凑的结构内提供高传热系数，且泵功相对较低 [9], [10], [11]。然而，同时，微通道内的两相流对扰动高度敏感。密度波振荡、压降波动、流量再分配和局部干涸/再湿润都可能发生在运行过程中 [12], [13], [14]。即使在稳态加热下，这些效应也可能明显干扰传热性能 [15], [16], [17]。一旦引入瞬态热流密度扰动，热响应、水力响应和两相分布之间的耦合通常会变得更紧密 [18], [19]。例如，据报道，在一个受到从 15 到 75 kW/m² 单热流密度脉冲的微通道中，壁面温度会超过最终稳态值约 20 °C [20]。因此，瞬态条件下的性能评估不应局限于平均传热系数或平均压降。相反，还应考虑更广泛的一系列性能指标，如峰值壁面温度、温度和压降波动的振幅以及流型演变，以揭示系统的动态稳定性和热冲击韧性 [21], [22]。

为了抑制不稳定并增强沸腾传热，人们投入了大量精力进行微通道的结构强化。典型方法包括修改通道几何形状 [23], [24]，如波纹或波浪通道；引入表面结构 [25], [26], [27]，如微槽、肋片和再入空腔；以及构建多尺度表面粗糙度 [28], [29]。这些结构通常通过改变成核行为、增加润湿面积或诱导局部扰动和二次流来增强传热，其性能通常是在稳态条件下根据传热增强和压降惩罚来评估的。与稳态热流密度运行相比，关于非稳态热输入下微通道流动沸腾的研究仍然相对有限。对于单通道，以前的研究表明，单脉冲和周期性脉冲热输入都会引起明显的瞬态热 - 水力响应 [20], [30]。对于并联通道，在瞬态热负荷下对结构化翅片通道以及带有辅助喷嘴或辅助通道的配置的研究表明，这些设计可以改善瞬态传热并减轻温度波动 [31], [32]。尽管如此，关于不同强化机制相关动态响应的系统性比较仍然不足 [33], [34]。

特斯拉型通道通过非对称结构单元重新分配主流，从而提供方向相关的液压阻力和无需任何额外运动部件的被动流量调节。其工作原理主要依赖于表面微结构和成核控制的槽纹或基于翅片的结构不同。尽管这种结构在单相流整流和回流抑制方面显示出潜力，但关于其在微通道流动沸腾中，特别是在瞬态热流密度扰动下的热 - 水力响应、稳定性特征和潜在机制的系统性研究仍然缺乏。这直接限制了工程设计标准的建立和此类结构在承受脉冲热负荷的散热设备中的实际应用。

在此背景下，本研究重点关注典型的瞬态热冲击条件，并对不同强化机制的微通道流动沸腾的动态响应和稳定性进行了比较研究。选择了光滑微通道 (S-MC)、槽纹微通道 (G-MC) 和特斯拉微通道 (T-MC) 作为测试结构。在瞬态热流密度条件下，系统地研究了微通道中温度、压降和流型的演变。引入了不稳定性指数 (SWI) 和性能评估准则 (PEC) 以对通道性能进行全面评估。具体而言，本研究旨在揭示不同结构在瞬态热冲击下的传热响应特征和关键控制机制，定量比较不同强化机制在流稳定性和热响应稳定性方面的差异，并阐明特斯拉微通道在缓冲瞬态扰动和抑制压降和温度波动方面的潜在优势和适用场景。结果预计将为脉冲热负荷下微通道散热器的结构设计和稳定性优化提供实验证据和机制洞察，同时也有助于填补特斯拉型微通道在非稳态流动沸腾应用方面的研究空白。

章节摘要

实验系统和试验段

图 1 显示了实验回路，包括恒温浴、恒流泵、质量流量计、预热段和试验段。回路在封闭循环模式下运行。HFE-7100，在大气压下正常沸点约为 61 °C，被选为工质并储放在恒温浴内的储液器中。在每次实验前，对储液器中的 HFE-7100 进行脱气。在实验过程中，流体被

结果与讨论

在本研究中，实验研究了 S-MC、G-MC、T-MC-F 和 T-MC-R 在不同强度热负荷下的瞬态热响应和流动特性，并对流型进行了可视化。实验主要关注特斯拉微通道，光滑微通道和槽纹微通道作为参考案例。质量流速为 1980 kg/(m²·s)，入口流体温度为 34 °C。持续时间为

结论

本研究实验研究了四种硅基微通道配置，即 S-MC、G-MC、T-MC-F 和 T-MC-R，在不同脉冲热流密度条件下的瞬态流动沸腾。基于壁面温度响应、压降行为、HTC、SWI 和流型可视化，可以得出以下结论：

• (1)
  在脉冲加热条件下，S-MC 和 G-MC 的瞬态热 - 水力响应可大致分为稳定、过渡和

CRediT 作者贡献声明

吕庆航: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，方法学，调查，数据整理。 燕泰山: 写作 – 审阅与编辑，数据整理。 冯宇: 写作 – 审阅与编辑，数据整理。 王振华: 可视化，调查。 魏兴国: 数据整理。 黄宏艳: 写作 – 审阅与编辑，数据整理。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本论文报告的工作。

致谢

本研究工作得到了 国家自然科学基金委员会，中国 (编号：92371113) 和 深圳市科技计划项目 (编号：GXWD20231130182916001) 的支持。

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