带有次级通道的叶脉状微通道流动沸腾传热的实验研究

《Applied Thermal Engineering》：Experimental study of flow boiling heat transfer in leaf-vein microchannel with secondary channel

　　

• 提出了一种带有二次流道的叶脉微通道散热片（VISMC）。
• 二次流道不仅增加了气泡成核位点，还促进了液体向主流道的补充，从而延缓局部干涸。
• 叶脉排列使气泡通过惯性效应向下游方向膨胀，从而有效缓解了蒸汽阻塞。
• 与传统直微通道相比，VISMC中的传热系数提高了最高达52.87%。
• 与传统直微通道相比，VISMC的压降降低了14.4%–20.1%。

## 引言

近年来，随着人工智能、数据中心、高性能计算机和高功率电子设备的快速发展，电子设备的热流密度经历了急剧增长，在某些先进应用中超过1000 W/cm2，导致热管理挑战显著增加[1], [2], [3]。传统的单相液体冷却已不再能满足上述散热需求。微通道中的流动沸腾被认为是满足日益增长的散热需求的有前景的方法。在流动沸腾过程中，大量潜热被移除，而工作流体保持在接近局部饱和温度的状态。这一特性降低了壁面温度梯度并改善了温度均匀性。此外，微通道的高表面积与体积比以及短的热传导距离，使得在有限的体积内可以集成大面积的传热表面，从而有助于实现紧凑的冷却结构。因此，微通道流动沸腾具有诸多优势，包括高散热能力[4]、相对均匀的温度分布[5]、紧凑的系统集成[6]和低流量需求。微通道流动沸腾逐渐成为电子设备的关键热管理方案。

传统矩形微通道往往受到流动不稳定、局部干涸和高热流条件下临界热流过早触发等问题的限制，这极大地限制了其在热管理中的实际应用[7], [8], [9]。为了克服这些挑战，学者们开展了广泛的研究，探索了诸如多孔表面[10]、纳米涂层[11]、微腔室[12]和烧结铜粉[13]等表面改性策略。这些结构不仅增加了传热面积，还提供了额外的成核位点。此外，纳米表面结构表现出强烈的毛细抽吸作用，有助于壁面再湿润，维持液膜稳定性，并有效延缓局部干涸[14]。然而，这些微纳结构表面不可避免地引入了额外的流动阻力，同时在高热流条件下也阻碍了大尺寸气泡的脱离[15]。

此外，修改微通道的几何结构是增强传热的另一种方法。相关研究主要集中在翅片形状、尺寸和排列方式上，分析它们对核态沸腾起始（ONB）、传热系数、临界热流（CHF）、气液分布和压降的影响[16], [17], [18]。Sun等人[19]进行了可视化实验，比较了微通道中三角形、方形、椭圆形和圆形翅片的流动沸腾特性。实验结果表明，三角形微翅片使气泡更容易生长和脱离，从而显著增强了传热。然而，也发现三角形翅片的传热系数和流动压降在四种结构中最高。其他研究将倾斜肋片[20]和倾斜凹槽[21]等结构引入流道中。倾斜肋片结构可以有效促进涡流形成并增强流体湍流，同时增加气泡成核位点，从而显著改善传热性能。然而，这些设计导致了较大的压力损失。

对传统平行微通道的直翅片结构进行改造也是调整流动特性并增强传热性能的有效方式。Wei等人[22]提出了一种具有半圆形刻壁的微通道散热片，在直翅片中切割了半圆形二次流道。这种半圆形刻壁增加了气泡成核位点数量，并在高热流密度下表现出强大的液体保持能力。与传统直通道相比，该设计将压降波动降低了44%，壁温波动降低了56%。Yang等人[23]在由二次通道连接的主通道组成的微通道阵列中进行了流动沸腾实验。结果表明，二次通道不仅增加了传热面积，还有效抑制了局部干涸引起的不稳定性。Li等人[24]提出了一种在侧壁集成微喷嘴的平行微通道阵列。微喷嘴通过四组辅助通道连接。这些辅助通道诱导的二次流不仅缓解了局部干涸，还使临界热流提高了近37%。

与连续翅片结构相比，互联结构通过其横向连接诱导流体扰动，破坏热边界层，并使液膜周期性更新。Jiang等人[25]将互联结构引入单相液体冷却中，以促进横向流体输送并改善温度均匀性。随后，互联微通道的概念被广泛扩展到流动沸腾领域。Cheng等人[26]证明互联微通道（IM）可以提前沸腾起始并促进气泡脱离，从而增强沸腾传热。实验结果表明，传热系数提高了最高达86.9%，临界热流提高了59.1%。Sourov等人[27]使用HFE-7100作为工作流体在互联通道中进行了流动沸腾实验，发现该结构设计有效促进了两相流的横向混合和湍流，从而缓解了蒸汽阻塞。结果表明，与传统平行微通道相比，该设计使传热系数提高了最高达34%，压降降低了30%。Zhang等人[28]设计了一种网状微通道结构。该结构加速了蒸汽移除并打断了长蒸汽段塞，从而有效抑制了两相流不稳定性。在高质量流条件下，网状微通道抑制两相流不稳定的能力减弱，同时摩擦阻力和毛细阻力显著增加，导致整体压降更高。为了解决高效传热引起的流动不稳定性，Ma等人[29]提出了一种具有仿生叶脉结构的微通道，优化了气泡运输。与矩形微通道相比，该结构显著改善了温度均匀性，壁温降低了4–5 K，传热系数高达8.025 kW/(m2·K)，压降降低了9%。

目前，将二次流道与互联结构相结合的研究相对较少。Chang等人[30]提出了一种带有辅助通道的互联微通道散热片；该结构实现了气液分离和流型控制，使传热系数提高了最高达75.65%。额外的流道面积和扩展空间不仅降低了流动压降，还有效抑制了流动不稳定性和局部干涸。

上述文献表明，传统的几何修改主要集中于修改局部流场、增加传热面积和增强流体扰动。二次通道不仅增加了气泡成核位点数量，还持续向主通道输送流体，从而延缓局部干涸并维持液膜稳定性。互联结构为蒸汽膨胀提供了横向缓冲空间。基于互联微通道，叶脉状结构使蒸汽向出口方向膨胀。此外，叶脉状结构的尖角不仅增加了气泡成核位点，还将长蒸汽段塞打断为较短的蒸汽柱。该结构有效缓解了气液阻塞，显著降低了压降波动。然而，将二次通道与叶脉状互联排列相结合的研究仍然有限。因此，本文提出了一种新型带有二次流道的叶脉微通道（VISMC）。采用去离子水作为工作流体，在质量流范围为213–604 kg/(m2·s)、热流范围为7.9–151.6 W/cm2的条件下进行了流动沸腾实验。通过高速可视化，将VISMC的流动沸腾特性与传统矩形微通道（RMC）、带二次流道的矩形微通道（RSMC）和带二次流道的互联微通道（ISMC）进行了比较。本研究可为微通道在实际应用中的设计和优化提供有价值的指导。

## 实验回路

实验系统如图1所示。实验回路由水箱、恒温水浴、过滤器、流量计、阀门、实验段和冷凝器组成。使用去离子水作为工作流体，储存在储水罐中。每组实验前，将工作流体煮沸30分钟以去除不凝性气体。实验系统使用蠕动泵（BT100M）驱动流体通过系统流动。

## 数据归约

质量流定义如下：

G = ρV/Ain

其中ρ表示工作流体的密度，V表示工作流体的体积流量，Ain表示微通道入口处的横截面积。

实验过程中系统的总输入热量为Qin：

Qin = UI

其中U和I分别表示输入电压（V）和输入电流（A）。

实验段的有效加热功率为Qeff：

Qeff = Qin ? Qloss

其中Qloss表示热损失。

## 沸腾曲线

图6展示了在质量流为213、420和604 kg/(m2·s)条件下，RMC、RSMC、ISMC和VISMC的有效热流与壁面过热的关系。如图所示，在单相区域沸腾曲线的斜率较缓。在相同有效热流下，VISMC中的壁面过热低于其他三种通道。随着有效热流的进一步增加，达到ONB点，通道内大量气泡成核位点被激活。

## 结论

本文提出了一种带有二次流道的三种微通道散热片。在入口过冷度40°C、质量流213–604 kg/(m2·s)和有效热流7.9–151.6 W/cm2的条件下，讨论了传热和压降特性。使用高速相机记录了两相流流型，并与传统矩形微通道的流型进行了比较。主要结论如下：

（1）与RMC相比，沸腾曲线表现为……

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

作者衷心感谢河北省自然科学基金（编号E2021202125和编号E2025202137）的资助。

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