水平与垂直流道截面协同扩张的椭圆翅片微通道流动沸腾传热实验研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Experimental study on flow boiling heat transfer in elliptical fins microchannel with synergistic expansion of horizontal and vertical flow cross-sections

　　

• 提出了一种椭圆鳍片微通道（EHVMC），其水平和垂直流截面协同扩展。• 垂直流截面的扩展使部分蒸汽上升。• 椭圆鳍片有效减小了气泡脱离直径并加速了气泡脱离。• 与常规直微通道（CSMC）相比，EHVMC的传热系数提高了66.2%–74.6%。• 与CSMC相比，EHVMC的压降降低了33.9%–46.4%。引言在全球技术进步的背景下，微电子产业正朝着高密度、微型化和高效能的方向发展[1]、[2]。随着芯片制造工艺的持续突破，微电子器件的尺寸已显著缩小。然而，单位面积的功率密度和散热需求却急剧上升。对于某些微电子产品，如航天应用芯片和高功率射频器件，热流密度已超过1000 W·cm?2[3]，远超传统热管理技术的承载极限。近年来，随着人工智能的不断发展，电子芯片的特征尺寸持续缩小[4]。电子芯片的热管理不仅是确保输出效率和可靠性的关键，也是限制其整体性能的技术瓶颈[5]。值得注意的是，芯片温度每升高10°C，其运行可靠性会显著下降[6]。微通道中的流动沸腾传热技术是实现高效散热的前沿解决方案，具有传热效率高、温度分布均匀、结构紧凑和流量要求低等显著优势。已有主动强化和被动强化技术被报道用于提高传热性能。然而，主动强化方法，如电场[7]和磁场[8]，需要额外的能量消耗，且存在控制系统复杂和缺乏长期可靠性等缺点，这严重限制了其实际工程应用。相比之下，被动强化方法无需额外的能量输入。例如，微肋[9]、铜泡沫翅片[10]、亲水/疏水表面[11]、[12]、多孔结构[13]、沟槽[14]和壁面粗糙度[15]已被证明能有效增加成核点、增强流体扰动和混合，从而显著提高传热性能。在更高热流密度条件下，大气泡的脱离受到微通道尺寸的约束，导致气泡堵塞、进口回流和壁面干涸等流动不稳定性[16]、[17]。这些问题严重限制了散热性能的全方位实现。因此，大量研究致力于解决这些问题，设计了水平扩展结构以解决小尺寸微通道中的气泡堵塞、液体供应不足和高流阻等问题。Markal等人[18]研究了沿流动方向微肋数量递减的微通道（T-2）的临界热流密度和流动特性。结果表明，T-2有效解决了气泡堵塞和干涸问题。与平行直通道（T-1）相比，在所有质量流量下，T-2的传热性能从初始沸腾阶段到临界热流密度阶段均显著提升。Shang等人[19]设计了一种具有截面突变扩展和双孔结构的微通道。结果表明，突变扩展结构增强了中下游区域的局部扰动，加速了气泡脱离并缓解了沸腾危机。与常规微通道相比，壁面过热度至少降低了13.79%。尽管通过设计截面的水平扩展在一定程度上解决了蒸汽堵塞和进口回流问题，但在热流密度过高时，大量气泡仍倾向于积聚并形成大型蒸汽腔，阻碍壁面再润湿。Wang等人[20]基于正弦波微通道设计了一种具有上游突然收缩和下游突然扩展结构的新型微通道（SWM-SEFP）。结果表明，SWM-SEFP的扩展内壁面积在成核阶段提供了更多成核点。在塞状流或环状流状态下，扩展通道为大气泡提供了足够的扩展空间，同时在内壁维持稳定的液膜。然而，正弦波结构带来的压降增大和制造成本高的问题同样需要关注。Choi等人[21]研究了具有突变扩展微通道的T型微通道（TMSE）的流动沸腾性能。扩展通道设计利用蒸汽排放机制促进了气泡排出，实现了汽液分离并延迟了干涸。与常规微通道相比，TMSE中的压力波动降低了82.7%，传热系数提高了68.7%。然而，截面的突变扩展也使局部压降增加。除了在水平方向设计扩展通道外，鳍片与盖板沿垂直方向的间隙也在一定程度上解决了这些问题。一些学者研究了半开式微通道的传热性能。Chen等人[22]研究了半开式泪滴形鳍片微通道中的流动沸腾传热特性。半开式微通道为成核气泡的生长提供了充足空间，不仅增强了传热性能，还保持了极低的压降（≤1.2 kPa）。Li等人[23]设计了一种下游区域鳍片高度递减的半开式微通道（SOEP）。结果表明，与标准平行微通道（SP）相比，台阶结构通过截面的突变扩展诱导局部湍流，提供了更多成核点并促使沸腾提前发生。此外，当扩展比为1.5时，底部温度梯度最小化，临界热流密度提高了34.7%。然而，当扩展比为2时，气泡快速生长导致局部干涸。这表明在快速扩展过程中，汽液界面的稳定性存在一个调节阈值。Yin等人[24]研究了半开式微通道对降低流动沸腾不稳定性效果的影响。结果发现，微针鳍片与盖板之间的间隙增加了成核点密度，而间隙诱导的分层流有效减少了流动反转并抑制了流动不稳定性。Li等人[25]数值研究了三种微通道构型的流动和传热性能：Case 1（恒定高度台阶）、Case 2（递增高度台阶）和Case 3（递减高度台阶）。结果发现，Case 2表现出最佳的传热性能，而Case 3表现出优异的流动特性。在低雷诺数下，Case 2的综合性能最优，而Case 3在高雷诺数下优于其他微通道。Guo等人[26]设计了下游段鳍片高度递减的弯曲盖板，形成类似台阶结构的微通道。结果表明，该微通道有效延迟了分层流的起始，促进了壁面液体的再润湿，并由于微针鳍片与盖板之间的额外间隙而加速了气泡排出。然而，这些弯曲盖板微通道的压降高于平底盖板微通道，表明间隙尺寸会影响压降。Li等人[27]在三台阶微通道（TSMC）中进行了流动沸腾传热实验。结果表明，台阶结构诱导了二次流，增强了流体湍流和热交换。TSMC的临界热流和传热系数分别提高了50.0%–105.6%和35.8%–90.3%，而压降降低了61.7%–77.7%。具有流截面梯度扩展的三台阶微通道在增强传热的同时降低了压降。Zhang等人[28]在三级突变扩展微通道（TSE-MCs）中进行了流动沸腾传热实验，并与常规微通道（CS-MCs）进行了比较。结果表明，台阶扩展降低了下游区域的蒸汽速度并减少了汽液剪切损失，同时增强了成核沸腾和传热性能。因此，TSE-MCs中的最大传热系数达到了62,784 W·m?2·K?1，比CS-MCs提高了3.6%–18.9%。然而，TSE-MCs中的突变扩展台阶导致了额外的压降损失。Yadav等人[29]将I型微通道（上游区域有鳍片）、II型微通道（下游区域有鳍片）和III型微通道（整个区域有鳍片）与常规矩形微通道进行了比较。结果发现，I型微通道的传热性能优于II型微通道。在低雷诺数下，I型微通道甚至优于III型微通道。I型微通道的平均表面温度也显著降低，平均传热系数提高了约160%。Qiu等人[30]设计了一种兼具台阶结构和倾斜鳍片双重优势的新型微通道（SOFMC）。结果表明，台阶结构为气泡生长和排出提供了空间，抑制了蒸汽堵塞。与矩形微通道（RMC）相比，临界热流密度达到了443.8 W·cm?2。此外，尽管SOFMC的流动沸腾不稳定性被抑制，但压降也有轻微增加。此外，研究发现鳍片形状会影响单个气泡的生长周期和两相流行为。一些研究人员比较了具有不同鳍片形状的微通道的沸腾传热性能。Du等人[31]比较了椭圆、圆形和菱形鳍片微通道中的临界热流密度。结果发现，椭圆鳍片微通道表现出最高的临界热流密度，而圆形鳍片微通道表现出最低的临界热流密度。Kong等人[32]研究了圆形、菱形和椭圆鳍片微通道中成核沸腾的起始情况。结果揭示，菱形和椭圆微喷嘴微通道中成核沸腾起始所需的热流密度高于圆形微喷嘴鳍片微通道。Wei等人[33]比较了方形、圆形、菱形和流线型鳍片对微通道传热性能的影响。结果表明，方形鳍片微通道表现出最佳的传热效率，而菱形鳍片微通道表现最差。方形结构阻碍了蒸汽的连续发展并促进了壁面再润湿。然而，方形鳍片微通道在高热流密度下面临传热恶化的风险，而流线型鳍片可以加速蒸汽排出并延迟传热恶化的发生。Zhao等人[34]模拟了圆形、三角形、菱形和五边形鳍片微通道中的流动沸腾传热过程。结果发现，圆形鳍片的流线型结构使其在所有微通道中具有最低的压降。相比之下，三角形和五边形鳍片微通道由于鳍片周围产生的强烈涡流而表现出优异的传热性能。然而，强烈涡流引起的较高压降阻力以及角部滞留气泡导致的局部蒸汽分数跳跃同时增加了摩擦压降和加速压降。根据现有文献，许多研究人员提出了具有水平或垂直扩展截面的微通道用于强化传热。然而，大多数设计采用突变扩展结构，存在明显的缺点。例如，纯水平扩展的微通道倾向于在通道壁面附近困住大量气泡，导致临界热流密度提前发生。纯垂直突变扩展的微通道通常会产生明显的局部压降升高。其他已开发的结构，如正弦波台阶微通道、具有双孔表面的台阶微通道和具有倾斜肋片的扩展微通道，不仅会产生更高的两相流压降，还会带来额外的制造成本。在此背景下，所提出的EHVMC通过将水平和垂直截面扩展与椭圆鳍片相结合来填补研究空白。这一新型设计实现了传热增强和压降降低的同时实现。因此，提出了一种整合多种设计策略的椭圆鳍片微通道散热器，其具有水平和垂直截面协同扩展（EHVMC）功能。该散热器的特征是微通道数量逐步减少，从9条减至6条，再减至3条。水平截面的逐渐扩展通过蒸汽排放效应解决了气泡堵塞和停滞导致的传热效率下降和两相压降升高等问题。垂直流截面的梯度扩展通过蒸汽提升效应实现汽液分离，促进液体顺畅流动并降低两相压降。

此外，流线型翅片的引入进一步加速了气泡的脱离并防止局部堵塞，从而维持较低的两相流压降。实验研究的流量范围为214.8–626.5 kg·m?2·s?1，热流密度范围为4.1–151.3 W·cm?2。通过结合两相流、传热性能、压降特性、流动不稳定性以及EHVMC的综合传热性能进行研究，并与常规直微通道（CSMC）、仅水平截面扩展的矩形翅片微通道（RHMC）以及仅水平截面扩展的椭圆翅片微通道（EHMC）进行对比。研究结果为各种实际应用中的微通道散热器的优化和设计提供了有价值的见解。

**实验回路**

可视化实验系统的详细示意图如图1所示。该系统由循环部分、加热模块和测量系统组成。循环部分包括储水箱、齿轮泵、过滤器、流量计、截止阀、测试段和冷凝器。实验前，将去离子水煮沸30分钟以去除液体中的溶解气体（特别是溶解氧）。齿轮泵（Master flex, 07555–15）为……

**验证与可重复性实验**

对CSMC进行单相实验以验证实验装置和数据简化方法的准确性。努塞尔数（Nu）、压降（ΔP）与雷诺数（Re）之间的关系如图7(a)和(b)所示，并与Shah和London[42]提出的关联方程进行了比较。实验结果表明，Nu和ΔP的最大偏差分别为7.8%和8.9%。总体而言，单相实验结果与……

**翅片形状对气泡成核和脱离的影响**

当G = 417.6 kg·m?2·s?1且qeff ≈ 34.1 W·cm?2时，CSMC、RHMC、EHMC和EHVMC下游区域成核的可视化快照和示意图如图9所示。可以观察到，CSMC中的成核位点主要分布在微通道的侧壁上，成核位点的数量极为有限。水平扩展使主流区域的流速降低，并降低了沸腾所需的初始过热度……

**结论**

本研究提出了一种水平与垂直流截面协同扩展的椭圆翅片微通道散热器。在流量从214.8到626.5 kg·m?2·s?1、有效热流密度从4.1到151.3 W·cm?2的条件下进行了流沸腾传热实验。研究了EHVMC的传热性能、压降特性和流动不稳定性，并与CSMC、RHMC和EHMC进行了对比。主要……

**CRediT作者贡献声明**

Mingchao Chen：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，数据整理，概念构思。Yuyan Ma：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿。Zhanxiu Chen：监督，方法论，资金获取。Ao Ma：撰写—原稿，数据整理。Liyao Xie：撰写—审阅与编辑，资金获取。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能对本论文中报告的工作产生影响。

**致谢**

作者感谢河北省自然科学基金（项目编号E2021202125和E2025202137）的资助。

Mingchao Chen | Yuyan Ma | Zhanxiu Chen | Ao Ma | Liyao Xie