瞬态变化进口温度下非均匀分布针翅散热器中流动沸腾的热学评估

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermal evaluation of flow boiling in a non-uniformly distributed pin-fin heat sink under transiently varying inlet temperatures

　　

**摘要**

在实际冷却应用中，系统会经历不稳定的启动阶段，此时变化的入口温度对热管理产生显著影响。为填补这一空白，本研究首次对一种新型双池微针翅散热器（DP-HS）在瞬变变化入口温度下的饱和流态沸腾进行了实验研究。记录了时间相关数据和高速度可视化图像（2000 fps），实验条件为入口温度从约37.5°C上升至77°C，加热功率为180–270 W，质量流速为189–265 kg m?2 s?1。结果表明，较低的入口温度有利于提高两相传热系数，在达到稳态时，传热系数最大降幅达57.2%（在180 W、265 kg m?2 s?1条件下）。在当前实验条件下，当质量流速从189增加到227 kg m?2 s?1时，注意到质量流速影响的显著转变，此后进一步的改善效果明显减弱。此外，正向作用的惯性力和不均衡的表面张力（DP-HS所独有的）克服了阻碍蒸发的动量，确保了表面的持续再润湿。而且，DP-HS的几何结构有效地管理了高热负荷，当加热功率从180 W升至270 W时，平均壁面过热度增加仅限制在2.3°C以内。优化入口温度并超过该质量流速阈值是实现流态沸腾性能最大化的关键。

**引言**

冷却技术可追溯至古代，用于满足食物保存和热舒适等基本需求。然而，随着工业革命和机械工业的发展，冷却已转变为一个直接影响系统性能的关键子组件。交流-直流电机驱动中使用的双极晶体管和开关元件的热管理就是这一需求的突出例证[1]、[2]。当前，微芯片的微型化趋势和处理密度的增加要求移除极高的热通量[3]、[4]，这使得创新冷却技术的发展成为全球优先事项。其他新型冷却技术，如涡流管[5]、[6]和旋流[7]、[8]，需要压缩气源并产生显著噪声，使其不适合用于冷却微处理器或双极晶体管。因此，微尺度体积内的流态沸腾通过利用潜热传输和显著增强的表面积-体积比，提供了一种有说服力的热管理方案。虽然微流态沸腾的基本优势和历史研究已在近期综述文章中得到充分记录[9]、[10]、[11]，但该领域仍然是一个高度活跃的研究领域。近期不断涌现的新研究进一步强调了其动态特性，总结如下。

Zhang等人[12]对使用过冷水和多孔针翅阵列的流态沸腾进行了研究。这些结构由粒径为30和90 μm的铜颗粒烧结而成。研究发现，颗粒尺寸和质量流速是传热性能的主要驱动因素。在质量为208 kg m?2 s?1时，PF-90-300阵列的临界热通量（CHF）超过235 W cm?2。当质量流速降至52 kg m?2 s?1时，CHF降至150 W cm?2。在高级沸腾阶段，传热系数（HTC）峰值达到200 kW m?2 K?1。较大的颗粒尺寸明显增强了沸腾稳定性，有助于抑制压力波动。此外，高质量流速确保了液面的稳定供液，防止了入口处的蒸气堵塞。

Camarasa等人[13]评估了一种独特的散热器设计，该设计将射流冲击与变密度针翅阵列相结合。实验中，去离子水以200、150和100 mL min?1的流速循环。这种特定构型促进了气泡脱离并有效缓解了堵塞。研究确定了多种流态，包括段塞流、环形流、气泡流和柱塞流。在最大流速下，HTC达到9323 W m?2 K?1的峰值。研究人员报告了581.1 kW m?2的峰值CHF，比早期沸腾阶段提高了64.95%。然而，在高热通量条件下，不稳定性和流动反转仍然是重大挑战。

Jafari等人[14]研究了使用蒸馏水在20°C过冷条件下的六角形微针翅微通道（HPFM）。该设计采用了交错排列的六角形针翅，以30度反向旋转。这种特定几何结构被发现在通道中产生发散流，从而防止了气泡对流道的堵塞。实验在500、300和150 kg m?2 s?1的质量流速下进行。在热通量范围（2.4–201.0 W cm?2）内，HTC达到63.60 kW m?2 K?1的峰值。结果表明，六角形几何结构在最小化通道堵塞和流动不稳定性方面非常有效。此外，交错布局在不同热负荷下增强了热效率。

Luo等人[15]引入了多孔针翅构型（混合特征），旨在改善14.52 cm2表面积上的流态沸腾。以水为介质，团队在29.0 kg m?2 s?1的极低质量流速下实现了1264 kW m?2的显著热通量。他们还观察到在8.3 kg m?2 s?1的质量流速下出口蒸气品质高达0.94。该系统利用多尺度毛细效应建立了协调的两级蒸发机制。可视化数据证实了该结构调节从气泡-段塞到环形流的流动转变的能力。两相操作期间的稳定性通过压降和瞬态温度分布的分析进一步得到证实。

Chen等人[16]使用了带有氢氧化铜纳米管阵列涂层的泪滴状微针翅。在本研究中，HFE-7100在半开放微通道中以0.1至0.6 m s?1的速度循环。实施该涂层使CHF提高了82.1%，达到82.1 W cm?2。最大HTC提高了140.5%，峰值达到14,316 W m?2 K?1。此外，在比标准设计低26.4%的温度下观察到了核态沸腾起始（ONB）。该系统保持优异的液压性能，压降低于4 kPa。这些增强效果归因于纳米管提供的众多活跃核化点和卓越的毛细虹吸作用。

Ma等人[17]对带有微针翅壁的歧管微通道内的过冷流态沸腾进行了数值研究。该研究将三种交错构型（PMMC1、PMMC2、PMMC3）与标准矩形通道进行了比较。采用自定义求解器模拟了共轭传热和两相流的耦合。PMMC3设计使芯片平均温度降低了约9 K。此外，在单相阶段获得了23.3%的压降降低。在过冷沸腾条件下，PMMC2表现出最低的传热阻力和最高的传热系数。微针翅的集成提前了ONB并扩展了可用的核化点。所有设计都表现出较高的温度均匀性，波动保持在3 K范围内。

Camarasa等人[18]对一种针翅密度递增的散热器进行了局部热分析。他们使用去离子水作为冷却液，并将射流冲击技术整合到设计中。研究人员在100和200 mL min?1的流速下，入口过冷30 K的条件下进行了实验。分别记录下ONB出现在热通量12.93和22.81 W cm?2。系统实现了32.34和581.1 kW m?2的CHF。在200 mL min?1时，最大区域HTC达到10,890 W m?2 K?1。该研究通过实施50 μm的尖端间隙成功防止了气泡堵塞。结果表明，较高的流速促进了更平稳的流态转变和更均匀的传热。核化主要出现在针翅结构密度较低的后部区域。

Yin等人[19]从数值上研究了中断式同轴针翅（ICP）结构，旨在增强沸腾稳定性。根据针翅间距和间隙宽度分析了热性能。在300 μm间距下，交错排列的CICP和SICP设计分别将壁温降低了7.22 K和7.27 K（与串联排列相比）。这种交错排列有效地防止了气泡聚集并增强了温度均匀性。然而，流动阻力随间距增大而增加，在雷诺数超过300后成为主导因素。较宽的间隙改善了热分布，但导致更高的压降。最终，圆形ICP设计在液压阻力和传热之间提供了最佳平衡。

Al-Zaidi等人[20]对交错菱形微针翅中的流态沸腾进行了实验研究。以HFE-7100为工作流体，在20 mm × 25 mm的基底面积上进行测试。针翅尺寸为高1 mm、宽0.6 mm。测试在入口压力1、1.5和2 bar、质量流速100至250 kg m?2 s?1的条件下进行。研究确定了三种流态：气泡流、混合流和蒸气层流。在基底热通量0.63 MW m?2下，稳定性能在85°C以下得以维持。在整个实验范围内未发生流动反转或滞后现象。研究结果强调了壁面热通量和降低的压力是主导的热参数。最终，整个散热器的压降值始终保持在18 kPa以下。

上一节提供了全面的文献综述。一个关键观察是，现有研究主要关注恒定入口温度条件。然而在实际应用中，冷却系统经历一个不稳定的启动阶段，入口温度随时间变化。这一不稳定阶段对热管理产生显著影响，仍是一个关键的调查领域。此外，针翅构型在微流态沸腾系统的热流体力学行为中起着重要作用，因为气泡动力学强烈依赖于几何约束和方向。基于作者近期的工作[21]，该工作提出了一种新型双池散热器（DP-HS），本研究在基于实际需求的情况下评估了该设计，特别关注了以瞬变变化入口温度为特征的不稳定入口温度阶段。基于以上动机，作为文献中的首次研究，本文考察了在变化的入口温度条件下一种新设计的针翅散热器中的流态沸腾特性。同时，对流态进行了可视化，以便对沸腾现象进行深入讨论。

**研究方法**

为了开展本研究，建立了如图1所示的实验装置。主要参数为入口温度，该温度在约37.5°C至77°C的范围内瞬变增加。在77±1°C时达到稳态条件。此外，考虑了三种质量流速（189、227、265 kg m?2 s?1）和四种加热功率（180、210、240和270 W）。记录了温度、压力等时间相关数据，记录时间为1400秒，采样间隔为1秒。

**结果的解释性分析**

本文涵盖了对瞬变增加入口温度在饱和流态沸腾中作用的实验分析，该沸腾发生在一种创新设计的微针翅散热器（DP-HS）中。在测试中，由于热交换器的加热作用，工作流体的入口温度在约37.5°C至77°C的范围内瞬变增加。在77±1°C时达到稳态条件。三种质量流速（189、227、265 kg m?2 s?1）以及四种加热功率被考虑在内。

**结论**

为了揭示瞬变增加入口温度对创新微针翅散热器（DP-HS）中饱和流态沸腾的影响，进行了实验评估。工作流体的入口温度在约37.5°C至77°C的范围内瞬变增加。考虑了多种质量流速（189、227、265 kg m?2 s?1）以及加热功率（180、210、240和270 W）。此外，使用高速相机在2000 fps下进行流态可视化。

**CRediT作者贡献声明**

Burak Markal：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，监督，方法论，调查，资金获取，概念设计。?mer ?ksüz：写作 – 初稿，可视化，验证，资源，调查，数据整理。Alperen Evcimen：写作 – 初稿，可视化，验证，资源，数据整理。

**利益冲突声明**

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或人际关系可能会影响本文所述的工作。

**致谢**

作者衷心感谢土耳其科学与技术研究委员会（TUBITAK）通过项目编号219M142在财政上支持本研究，该项目由通讯作者监督。

**Burak Markal | ?mer ?ksüz | Alperen Evcimen**