重力方向对嵌入式分布式射流阵列中R245fa沸腾过程中沸腾滞后与间歇性蒸气堵塞的影响

《International Journal of Heat and Mass Transfer》：Effects of gravity orientation on boiling hysteresis and intermittent vapor blockage during R245fa boiling in an embedded distributed jet array

　　

# 变导向热管理：变位定向嵌入式分布式射流阵列R245fa机械泵送两相回路的沸腾传热研究

## 摘要

在具身智能机器人和航空航天电子设备中，变位定向热管理需求日益迫切，因为重力方向的改变会改变汽液分布并影响两相冷却的稳定性。尽管分布式射流阵列缩短了蒸汽排出路径并增强了高热流密度冷却能力，但重力方位对沸腾迟滞、蒸汽阻塞及临界传热性能的影响仍不明确。本研究构建了一个可旋转的R245fa机械泵送两相回路，集成了嵌入式分布式射流阵列沸腾模块和带有多点原位测温的微型测试芯片。利用同步热-水力测量和高速可视化技术，在不同重力倾角（0.2°–180.0°）和射流雷诺数（4728–7880）下，获得了增加和减小热流密度两个分支的完整沸腾曲线。沸腾迟滞主要由方位敏感的对流核态沸腾起始点控制，而沸腾熄灭点对方位的敏感性较低，产生非单调响应。相比之下，临界热流密度随倾角增大而单调下降。当角度从0.2°增加到180.0°时，在雷诺数4728、6304和7880下，临界热流密度分别降低了48.0%、39.1%和25.5%，表明更高的射流惯性可降低方位敏感性。不利于蒸汽排出的方位还会缩小稳定核态沸腾窗口，促进重力偏置蒸汽积聚、间歇性蒸汽阻塞和压力波动。本研究建立了考虑方位依赖的蒸汽排出和液体再润湿效应的两相传热系数和临界热流密度关联式，引入了重力方位因子。对应的平均绝对百分误差分别为2.89%和3.76%。这些结果揭示了阶段依赖的方位效应，并为评估R245fa机械泵送两相冷却装置的工作极限和方位容差提供了实验数据和经验工具。

## 引言

随着新兴应用（包括具身智能系统、航空电子设备和深空推进与探测平台）的快速发展，电子热管理面临着更高的功率密度、剧烈的瞬态热负荷和可变工作方位需求。热约束日益限制着高功率电子设备的性能和可靠性[1]。单相冷却可能无法满足某些日益紧凑、高热流密度系统的需求。在机械泵送两相回路（MPTL）中，泵将工作流体循环输送至蒸发器，利用相变潜热实现高效热传输。随着对能够处理高热负荷和空间非均匀热源冷却系统的需求增加，MPTL为提高传热效率和系统稳定性提供了重要途径[2]、[3]。

部署在移动或姿态可变平台（包括航空航天器和具身智能系统）上的MPTL中，冷却模块可能在流动方向与重力对齐、倾斜或反向的条件下工作。重力矢量相对于流动方向的变化会改变重力、惯性、表面张力和界面剪切力之间的平衡，从而影响两相流型、压降和传热性能。在不利的方位条件下，这些效应可能阻碍相态传输并破坏持续热管理[4]。仅在预设计方位下验证的热管理方案为可变方位系统的设计提供了不完整的依据。根本原因在于作用于两相流上的力的重新分布依赖于方位[5]。关于沸腾传热方位效应的研究可追溯至Ishigai等人[6]对朝下圆形铜板的膜态沸腾实验。Githinji和Sabersky[7]通过旋转同一加热表面相对于重力场的位置，比较了不同方位下的沸腾传热。他们发现，当加热表面朝下时，气泡倾向于停留在表面下方，抑制液体补充，削弱沸腾增强效果，并显著降低临界热流密度（CHF）。Ruch和Holman[8]研究了在0°至45°范围内倾斜的R113自由射流冲击平板的传热，发现该角度范围内核态沸腾传热无明显方位依赖性。随后，Zhang等人[9]以及Konishi等人[10]、[11]系统地研究了体力如何影响流动沸腾CHF，通过改变流动方向和加热表面方位进行实验。O'Neill等人[12]后来将类似的引力诱导体力框架扩展到流动冷凝。这些研究表明，两相传输的重力敏感性由引力引起的浮力、流动惯性、拖曳力和界面剪切力之间的竞争所控制，在低流速下尤为明显。Mudawar等人[13]在国际空间站进行的长期微重力实验进一步证实，低质量流率下CHF的重力差异最大，并随流动惯性增加而减小。此外，方位依赖的接触线运动改变了局部传热系数（HTC），而方位引起的流动再分布也改变了压降[14]、[15]。

综上所述，方位变化可以改变汽液传输和相态分布，打破蒸汽排出与液体补充之间的平衡，从而降低局部传热。作为MPTL的关键部件，蒸发吸热单元通过工作流体相变来去除热量。因此，其通道几何形状和内部相态分布决定了稳定工作范围和长期热可靠性。其设计必须在传热增强、液体供应、蒸汽排出和流动阻力之间取得平衡。几种表面和结构增强策略，包括针翅[16]、[17]、多孔涂层[18]、[19]和超亲水处理[20]、[21]，已被广泛研究。它们的共同目标是通过增加有效传热面积、建立有利的核化位点和液体补充通道、促进微气泡快速脱离来利用协同效应[2]。然而，在受限沸腾条件下，受限的气泡膨胀可能触发密度波、压降和热振荡[22]。在长期运行过程中，这些不稳定性可能导致电子设备发生温度循环和疲劳失效。因此，应优化流道以提供足够的气泡膨胀空间[23]。代表性设计包括互联通道[24]、分流通道[25]、逐渐扩张通道[26]、中央腔室[23]和分布式射流阵列[17]、[18]。在这些设计中，分布式射流阵列将溢流通道布置在液体供应射流附近，从而将加热区域划分为多个相对独立的射流单元，大幅缩短了两相排出路径。先前研究[19]、[27]表明，分布式射流阵列将多点冲击与相邻溢流相结合，在较低壁面过热度下提供高传热性能，并对瞬态局部热负荷具有快速热响应能力。因此，它们已成为超高热流密度电子冷却的重要研究方向。

沸腾起始是控制两相系统稳定运行的另一个关键因素，特别是那些使用介电或低电导率工作流体的系统，如FC-72[28]、R245fa[29]、R134a[16]和HFE-7100[30]。这些流体通常具有高浸润性，容易渗透并淹没微观表面凹腔，从而使残余蒸汽核不稳定[2]。只有尺寸与当地壁面过热度及过热液层厚度相匹配的微凹腔才能被激活。因此，有效核化位点数量的减少会增加对流核态沸腾起始（ONB）所需的壁面过热度，并可能导致沸腾起始延迟和明显的壁温过冲[31]、[32]。El-Genk和Parker[33]报道了HFE-7100在铜表面上的温度过冲为32.8–39.2 K，并表明增加蒸汽核数量可显著减少过冲。初始核化也可能随机发生在射流冲击点以外的区域。一旦局部微凹腔被稳定激活，沸腾可迅速扩散至整个加热表面，而非从孤立的初始气泡逐步出现[28]。由于热历史，增加热流密度分支上的核化位点激活与减小分支上的核化位点去激活不同。因此，ONB和沸腾熄灭点（BEP）在不同的热流密度和壁面过热度下发生，产生沸腾迟滞[34]、[35]。先前研究还表明，在某些运行条件下，增加压力和射流速度可以减轻壁温过冲和沸腾迟滞[16]。

尽管对沸腾方位效应的研究广泛深入，但大多数研究集中在池沸腾、通道流动沸腾或单射流配置上，且仅考察了有限的方位范围。据作者所知，尚无系统研究考察嵌入式分布式射流阵列在从重力对齐到重力反向全范围内的沸腾情况。更重要的是，针对高浸润流体射流沸腾的传热响应、时域壁温波动、空间非均匀性、压力响应和汽液传输的同步测量尚未报道。因此，接近CHF时方位引起的优先蒸汽积聚、间歇性蒸汽阻塞和受限液体再润湿的演化过程仍不清楚。在固定方位下开发的现有射流沸腾关联式也不明确考虑重力倾角。

为解决上述问题，本研究构建了一个可旋转的R245fa MPTL实验平台，可在一系列方位下运行，集成了嵌入式分布式射流阵列沸腾模块和带有多点原位测温的微型加热芯片。利用多点铂电阻测温、同步多通道测量和高速可视化技术，获得了完整的增加和减小热流密度分支。量化了重力倾角和射流惯性对传热、时空壁温响应、流动稳定性和蒸汽传输的影响。采用渐近匹配方法将强制对流和核态沸腾贡献相结合，建立了两相传热系数关联式，并在CHF模型中引入重力方位因子以考虑方位依赖的蒸汽排出和液体再润湿。在所研究的参数范围内，本研究提供了表征R245fa在嵌入式分布式射流阵列中方位依赖的传热性能、沸腾稳定性和CHF的实验数据和关联方法。也为评估类似MPTL相变吸热单元对方位变化的鲁棒性提供了基础。

## 章节片段

### 方位分辨实验平台

为考察重力倾角如何影响集成分布式射流阵列的MPTL中R245fa的沸腾传热，开发了一个可旋转的实验平台，如图1所示。该平台可绕两个轴实现360°旋转。所有测试均通过绕图1所示X轴旋转平台进行。整个测试段作为刚体旋转，因此射流喷嘴、溢流槽、加热表面、入口和出口之间的相对位置保持不变。

### 测试芯片标定与热损失估算

为确保准确的壁温测量，实验前对集成在测试芯片上的RTD进行了标定。为每个RTD建立了电阻-温度关系，将测量的电阻信号转换为温度。高精度标准铂电阻温度计（JR5611–10mK，上海晶准科技）作为参考。该参考温度计使用超精密温度计电桥（1595，福禄克校准）进行了标定。参考温度计

### 结果与讨论

本节考察了R245fa在嵌入式分布式射流阵列模块中射流冲击沸腾的方位分辨特性。利用沸腾曲线、传热系数、CHF、沸腾迟滞指标、壁温波动、空间温度非均匀性、压降响应和流动稳定性指标，分析了重力倾角和射流雷诺数的影响。重点放在重力如何调节蒸汽排出和液体

### 结论

开发了一个可旋转机械泵送两相回路实验平台，集成了嵌入式分布式射流阵列沸腾模块和带有多点原位温度传感的微型加热测试芯片。利用同步多通道测量和高速可视化技术，在重力倾角0.2°–180.0°和射流雷诺数4728、6304和7880下，获得了完整的增加和减小热流密度分支。重力

### CRediT作者贡献声明

怀秀兰：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。李勋丰：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，概念化。张凯：写作 – 审阅与编辑，方法论，调查。王健儿：写作 – 审阅与编辑，方法论，调查。周敬之：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目

### 利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的财务利益冲突或个人关系。

陈清鸿 | 周敬之 | 王健儿 | 张凯 | 李勋丰 | 怀秀兰

中国科学院工程热物理研究所，北京 100190，中国