《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Two-phase cooling architectures for sustainable data centers: From boiling physics to intelligent and reliable deployment
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摘要
高性能计算和数据密集型基础设施的快速增长加剧了对可扩展且节能的热管理的需求。两相冷却架构通过利用潜热传输，实现了超出传统空气冷却和单相液体冷却能力限制的热量去除，提供了一种有前景的解决方案。然而，其部署受到复杂的热流相互作用、流动不稳定性和长期可靠性挑战的制约。
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摘要
高性能计算和数据密集型基础设施的快速增长加剧了对可扩展且节能的热管理的需求。两相冷却架构通过利用潜热传输，实现了超出传统空气冷却和单相液体冷却能力限制的热量去除，提供了一种有前景的解决方案。然而，其部署受到复杂的热流相互作用、流动不稳定性和长期可靠性挑战的制约。
本综述提出了一个统一的框架，将沸腾物理、系统级行为和数据中心的部署考虑因素联系起来。在设备层面，受限几何形状中的流动沸腾主要受通道几何形状的控制，这决定了气泡动态、蒸汽限制和干燥现象。在系统层面，泵送的两相循环引入了与流动分布不均、不稳定性和耦合热流体相互作用相关的额外约束。
最近在物理解析建模、数据驱动预测和非侵入式监测方面的进展被综合起来，强调了它们在实现预测性设计和实时系统控制中的作用。综述进一步指出了关键的部署障碍，包括流体降解、表面演变和材料兼容性，并强调了需要具有可靠性意识、系统集成和智能冷却架构的可持续数据中心。
引言
对计算和电力系统需求的加速增长给现代信息和电力基础设施带来了结构上的热管理挑战。包括高性能计算系统、AI加速器和电力电子设备在内的先进电子平台，越来越多地在较高的热流下运行，从而对高效的热管理提出了更高的要求。在系统层面，数据中心的能耗持续增长，未来的需求受设备趋势、运营实践以及冷却系统选择和效率的影响[1]。这一趋势反映了早期研究中发现的一条长期轨迹，即处理器密度的增加和机架级别的功率增加对现有冷却基础设施提出了巨大压力[2]。
历史上，基于空气的冷却架构被认为是数据中心热管理的主要方法，依赖于通过循环气流进行显热去除。然而，随着功率密度的增加，维持可接受的工作温度需要更大的温度梯度或更高的冷却剂流量，从而导致更高的能耗和效率降低。这些限制代表了将传统空气冷却技术扩展到高密度系统的基本约束。单相浸没冷却作为一种系统级替代架构出现，通过直接将电子元件浸入电介质流体中来提高热均匀性和系统级效率。实验和系统级研究表明，这种系统减少了对基于气流的冷却的依赖性，并可以改善热管理性能，同时也引入了与冷却剂可靠性、材料兼容性和长期运行相关的挑战[3]。
为了克服显热去除的局限性，两相冷却技术在相变过程中利用潜热实现了显著更高的热传输能力。关于微通道散热器的实验研究表明，在受控条件下，基于相变的冷却可以散发的热流接近1 kW cm?2，这突显了其在高功率电子应用中的潜力[4]。
在实际系统中，两相冷却的性能受到界面动力学、流动分布和表面条件的强烈影响。沸腾传热取决于表面形态、润湿性和气泡动态，这些因素共同决定了传热系数（HTC）和临界热流（CHF）。此外，长期运行引入了额外的挑战，因为表面退化、腐蚀和润湿性的变化会随时间改变沸腾性能。实验研究表明，腐蚀和表面演变会根据表面结构与化学环境之间的相互作用显著改变临界热流和气泡动态[5]。
尽管表面工程可以显著增强成核行为、润湿性和临界热流，但这些效应都是在由几何限制建立的热流体环境内进行的。在受限流动沸腾中，通道尺寸、限制比例、流动排列和蒸汽去除路径在很大程度上决定了主导的传输机制和稳定性限制，而表面修改则通过改变成核点密度、液体补充和界面动态提供局部增强[6]。因此，本综述将几何限制视为控制受限流动操作范围的主要架构变量，同时认识到表面工程是优化局部沸腾性能的重要策略。
在系统层面，冷却流体的可靠性是另一个关键约束。用于浸没冷却和相关电气冷却应用的电介质流体在长时间热暴露下会发生化学和物理变化，导致热物理和电气特性的变化，从而影响系统性能和可靠性[7]。
这些挑战表明，两相和浸没冷却系统不能仅通过峰值热传输性能来评估，而必须将它们理解为耦合的热流体系统，其中热传输、流体行为、材料稳定性和系统集成在多个尺度上相互作用。然而，尽管取得了迅速进展，现有文献在三个具体维度上仍然存在碎片化：首先，设备级沸腾物理很少与系统级指标（如泵送循环稳定性、PUE和COP）联系起来；其次，智能监控和控制策略与物理约束（流动不稳定性、分布不均和流体降解）分离进行审查，这些物理约束决定了它们的运营要求；第三，包括表面退化和流体老化在内的长期可靠性考虑不足，限制了将峰值性能转化为持续运营部署的能力。
本综述通过一个统一的、多尺度的视角解决了这三个问题——这与之前专注于单相浸没或芯片级两相优化的研究[3]不同——涵盖了从设备级沸腾物理到系统级循环行为和智能控制再到长期部署限制的整个架构层次。它不仅仅关注冷却技术本身，而是将热管理视为一个耦合的热流体问题，其中热传输、流动动力学和材料稳定性是内在联系的，桥梁了设备级性能与系统级效率、控制和运营耐久性。
综述的内容如下。第2节探讨了设备级沸腾机制，涵盖了受限微/迷你通道流动沸腾、混合喷射辅助冷却板、喷雾和薄膜蒸发以及毛细辅助蒸发。第3节讨论了系统级热流体架构，包括泵送两相循环的不稳定性、浸没冷却和数据中心级性能指标。第4节综合了智能设计和控制方法，涵盖了物理解析建模、数据驱动预测、非侵入式监测和自主控制。第5节考察了与表面耐久性、流体老化和架构依赖性限制相关的部署约束，最终形成了一个统一的约束空间综合。第6节提出了结论。
图1阐述了本综述的能量和热性能动机。图1A总结了数据中心能源需求的增长、相应的冷却能源需求以及冷却效率的重要性的提高，而图1B比较了传统和先进冷却架构的代表性设备级热流范围。这些比较共同表明了将高热流冷却技术与系统级效率、智能运营和长期部署考虑因素联系起来的必要性。
章节片段
在受限几何形状中的沸腾传热受到界面相变过程和通道尺寸及流动路径所施加的几何约束之间的强烈耦合的影响。与宏观尺度沸腾相比，限制改变了气泡动态、蒸汽传输和稳定性限制，使得几何形状成为热流体操作范围的主要决定因素。因此，几何形状主要建立了蒸汽传输和热流体稳定性范围
实际冷却系统在集成的热流体架构中运行，其中局部相变过程与流动分布、压力动态和系统配置强烈耦合，因此性能源于局部相变动态、压力-流动相互作用和循环级质量分布之间的相互作用。考虑了两种主要的架构：依赖强制循环和分布式流网络的泵送两相循环，以及浸没冷却
不能仅通过组件级性能来有意义地评估数据中心的两相冷却。本综述在设备级沸腾物理、系统级热流体行为、智能监控和长期可靠性等方面认为，这些系统的性能本质上是热传输、流动动力学和材料稳定性之间多尺度耦合的涌现属性，而不是各个子系统优化之和。
作者感谢台湾国家科学技术委员会的财政支持（合同号：NSTC 114-2221-E-A49-165-MY3）。所有复制或改编自先前出版作品的图表都在相应的图例中进行了标注。使用受版权保护的材料遵守出版商的政策和适用的许可要求。
Kim Boon Lua | Reza Moradi | Chi-Chuan Wang
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