《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Flow boiling and thermohydraulic performance of manifold microchannels with a vertically open outlet and micro-pin-fin walls
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•对采用 ZU 型流歧结构的氮化铝（AlN）基微通道内的流动沸腾进行了研究。•ZU-PMMC2 降低了壁面过热度并提高了最大有效热流密度。•ZU-PMMC2 中的两相流压降大幅降低。•ZU-PMMC2 热沉表现出卓越的整体热性能。引言随着人工智能、宽禁带半导体等前沿技术的快速
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对采用 ZU 型流歧结构的氮化铝（AlN）基微通道内的流动沸腾进行了研究。
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ZU-PMMC2 降低了壁面过热度并提高了最大有效热流密度。
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ZU-PMMC2 中的两相流压降大幅降低。
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ZU-PMMC2 热沉表现出卓越的整体热性能。
引言
随着人工智能、宽禁带半导体等前沿技术的快速发展，先进电子器件的热管理面临前所未有的挑战。新一代电子器件的功率密度急剧上升，局部热流密度甚至超过 1 kW·cm?2 [1]、[2]、[3]、[4]。为了在承受高热载荷的同时将芯片结温维持在安全工作范围内，传统的空气冷却和单相对流冷却技术正逐渐逼近其物理极限 [5]、[6]。由于工质汽化潜热较大，微通道内的两相流动沸腾能够实现高换热系数（HTC）和优异的壁面温度均匀性，因此被视为下一代大功率电子器件热管理的关键途径 [7]、[8]。自 Tuckerman 和 Pease 开创性工作 [9] 以来，微通道凭借其结构紧凑、表面积与体积比高以及传热能力强等优势，得到了广泛研究 [10]。然而，传统的长型平行微通道在两相流工况下仍面临重大挑战：较长的流道导致显著的压降；气泡膨胀可能诱发压力振荡、流动反向等流动不稳定性。与此同时，受限的通道空间阻碍了蒸汽的高效排出，而较大的气相结构会妨碍液体向下游加热区域的补充，促进液膜干涸和局部干烧，最终限制了临界热流密度（CHF） [11]。
为解决上述问题，微针翅壁等微尺度增强结构被逐步引入微通道，以强化局部换热并改善汽液输运。梯度微针翅多孔壁微通道可通过表面张力驱动和热驱动的输运机制，增强相邻通道间的横向汽液交换，从而抑制受限气泡的膨胀和蒸气积聚，改善液体流动分布，减轻通道堵塞以及壁温和压降波动。由此可在较宽的工作范围内保持稳定可靠的流动换热性能 [12]、[13]。将连续固体侧壁部分替换为微针翅阵列，同样可以增大有效沸腾成核面积，并通过相邻针翅之间的毛细效应增强液体补充，从而降低沸腾起始时的壁面过热度，提高换热系数和临界热流密度，缓解压降与两相流振荡。进一步提高针翅密度的空间梯度，可以增强相邻通道之间的压力与质量交换，从而抑制轴向气泡膨胀、流动反向和局部干烧 [14]、[15]。超亲水微针翅栅栏能够维持近壁液膜，并将两相流调控为"中心气相输运、侧壁薄膜蒸发"的流态，从而使换热系数大幅上升，并降低壁温与压降波动 [16]、[17]。在针翅和通道表面引入纳米线可进一步提高有效成核点密度并强化换热，但在高热流密度下过量气泡的产生可能破坏稳定液膜，限制临界热流密度 [18]。此外，微针翅吸液芯与独立蒸气通道相结合，可以同时增强供液并为蒸气排出提供低阻路径 [19]；而由横向微槽构成的全互联结构可促进液体补充与汽液混合，破碎蒸气塞，延缓局部干烧，从而在不显著增加压降的前提下同时提高换热系数和临界热流密度 [20]。然而，提高微针翅密度和润湿周界也可能引入额外的局部流动阻力，而在高热流密度下过量蒸气的产生仍会破坏液体补充并导致局部干烧。因此，通过微针翅结构实现的传热强化通常需要与相应的流动阻力代价之间进行权衡。
为进一步通过改善流动组织来缓解微通道长流道带来的高压降问题，Harpole 和 Eninger [21] 提出了流歧微通道（MMC）热沉的概念。通过在流道上方的多级流歧对冷却剂进行分配，MMC 显著缩短了工质的有效受热流动长度，从而大幅降低系统压降并促进蒸气的及时排出 [22]、[23]、[24]。近期研究进一步表明，MMC 在均匀与非均匀热流条件下（包括局部热点工况）均表现出良好的工作鲁棒性和温度均匀性 [25]、[26]。对比 Z、C 和 H 型流歧的研究表明，Z 型和 C 型构型中流动分布均匀性随汽相分率增大而逐渐恶化，而 H 型流歧由于出口侧压差较小，即使在较高汽相分率下仍能保持相对均匀的支路流量分布 [27]、[28]、[29]。对 Z、C、H 和 U 型流歧的比较表明，H 型和 U 型构型可提供更为均匀的流量与蒸气分布：H 型构型可显著降低壁面温差和压力损失，而 U 型构型则表现出相对较低的平均压降 [30]。进一步对 Z、C、H、U、ZU 和 HU 型流歧的比较 [31] 表明，流歧几何构型不仅影响单相流分布，还会通过气泡生成、通道堵塞和局部流速变化等耦合效应影响两相流分布。在这些构型中，HU 型流歧能够在较低压降下保持相对均匀的流量与蒸气分布，并将两相条件下的壁面温差控制在 2 K 以内。对于 Z 型流歧，采用锥形设计可进一步降低压降 25% 以上，并使压力波动幅度降低约 70% [32]。除传统流歧构型外，楔形流歧可调节出口侧的压力与蒸气分布，从而提高蒸气排出效率并改善两相流稳定性 [33]。总体而言，MMC 主要在宏观尺度上优化流动分布、缩短流道并改善蒸气输运，而微针翅结构主要是在局部尺度上增强换热面积、扰动热边界层并调控汽液界面输运。因此，将流歧构型与微针翅壁相结合，有望实现宏观流动组织与微观传热强化的协同效应，从而在降低流动阻力的同时提高换热性能，并促进高热流密度条件下的蒸气排出与液体补充。
在我们之前的工作中，对 U 型、Z 型、不同角度的楔形设计以及 ZU 型和 HU 型布局等多种流歧构型下的连续固体肋壁微通道和微针翅壁微通道进行了系统的数值研究。结果表明，与 U 型和 HU 型流歧相比，仅需单个进口的 ZU 型盖板能够在结构紧凑性与流动换热性能之间取得更有利的平衡。当与微针翅壁结构结合时，其综合传热性能在所考察的构型中最为优异 [34]、[35]。然而，数值方法在获取完整沸腾曲线以及最大有效热流密度等关键实验参数方面存在局限。此外，相关的实验研究仍相对匮乏。本研究针对增强构型 MMC 中的流动沸腾开展了实验研究。以氮化铝（AlN）为基体材料，制备了两类微通道结构——连续固体肋壁微通道（RMC）和微针翅壁微通道（PMC）——并将其与 Z 型和 ZU 型流歧结合进行了系统测试。实验采用 HFE-7100 作为工质，全面分析了流歧构型与微通道结构的耦合作用对沸腾曲线、最大有效热流密度、换热系数以及压降特性的影响。本研究旨在揭示流歧流动分配与微针翅强化之间的协同传热机制，为高热流密度电子器件的热管理设计提供实验证据和理论指导。
章节摘要
实验回路及装置
本研究建立的两相流动沸腾实验回路如图 1 所示。该回路主要由储液罐、微型齿轮泵、过滤器、流量计、预加热器、MMC 热沉测试段以及冷凝器组成。冷凝器具体包括板式换热器和恒温冷冻机。选择 HFE-7100 作为工质，是因为其较低的沸点使其能在较低的壁面温度下发生相变，同时其低黏度和低表面
沸腾曲线
图 6 展示了四种不同 MMC 构型在两种入口过冷度和三种质量流密度条件下的流动沸腾曲线。入口过冷度分别为 40 K 和 20 K，对应于过冷流动沸腾工况。在低热流密度下，由于入口过冷度的存在，壁面温度可能仍低于饱和温度，从而导致负的壁面过热度。在单相对流阶段，MMC 表现出典型
结论
本研究系统考察了常规流歧微通道及其增强构型（含连续固体肋壁的 Z-RMMC，以及 Z-PMMC2、ZU-RMMC 和 ZU-PMMC2）在两种入口过冷度和三种质量流密度条件下的两相流动沸腾特性及综合性能。主要结论如下：
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与基准构型 Z-RMMC 相比，ZU 型盖板与双排微针翅壁的协同组合
作者贡献声明（CRediT）
马子涵（Zihuan Ma）： 撰写—审阅与编辑、方法学、数据整理。胡承宇（Chengyu Hu）： 调查研究、正式分析。郝南京（Nanjing Hao）： 方法学、调查研究。杨小平（Xiaoping Yang）： 项目管理。魏金佳（Jinjia Wei）： 监督、资源获取、项目管理、概念设计。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的、可能对本研究结果产生影响的经济利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金委员会（U2141218）的资助。
Zihuan Ma|Chengyu Hu|Nanjing Hao|Xiaoping Yang|Jinjia Wei
