微尺度流動沸騰不穩(wěn)定性的控制策略

余同譜，徐進良，劉國華

(1.安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院，安徽馬鞍山243002；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206)

微尺度流動沸騰不穩(wěn)定性的控制策略

余同譜1，徐進良2，劉國華1

(1.安徽工業(yè)大學能源與環(huán)境學院，安徽馬鞍山243002；2.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京102206)

微尺度流動沸騰不穩(wěn)定性是發(fā)生在換熱微通道內(nèi)的一種復雜現(xiàn)象，其不穩(wěn)性流動與傳熱給熱控對象帶來有害振動，使局部熱力過程發(fā)生變化，導致傳熱惡化，產(chǎn)生不均勻的熱應力，造成設備疲勞損壞。因此，如何有效抑制此類不穩(wěn)定性的發(fā)生，以提高相變傳熱效率十分重要。針對目前國內(nèi)外學者提出的沸騰不穩(wěn)定性控制策略進行論述，這些策略大致可以分為主動式與被動式兩大類。主動控制方法包括加種子汽泡、注入空氣、用納米流體三類；被動控制方法包括做入口節(jié)流裝置、人工核化穴、用拓展通道等。文中對每種方法的原理、技術手段及其性能與優(yōu)缺點等進行深入細致的闡述、對比與討論，并對其未來的發(fā)展趨勢作了展望。論述內(nèi)容對微通道相變換熱系統(tǒng)的設計、控制及運行有重要指導意義。

微通道；相變；不穩(wěn)定性；主動式；被動式

Ledinegg[1]于1938年提出兩相流不穩(wěn)定性概念以來，兩相流不穩(wěn)定性的問題引起研究者廣泛的關注。1960年前后，能源工業(yè)迅速發(fā)展，人們對鍋爐和沸水堆(BWR)的關注，使更多學者開始關注兩相流沸騰換熱系統(tǒng)。如，Yadigaroglu[2]描述了兩相流不定性及其傳播規(guī)律。微通道內(nèi)兩相流沸騰不穩(wěn)定性可分為動態(tài)和靜態(tài)不穩(wěn)定性兩類。動態(tài)不穩(wěn)定性是指工況呈現(xiàn)周期性且有一定規(guī)律，主要受壓力、質(zhì)量流量、溫度等參數(shù)的影響，相應分為三種脈動類型：壓降脈動、密度波脈動以及熱流脈動。靜態(tài)不穩(wěn)定性則是指工況呈現(xiàn)非周期性且沒有特定的規(guī)律，影響因素主要有系統(tǒng)壓降和兩相流不穩(wěn)定性等，這些因素一旦起作用就會導致流量發(fā)生偏移、流型發(fā)生變換及傳熱機理的變化。流動沸騰傳熱是由沸騰和兩相流動耦合在一起的一種熱流體流動過程。任何影響沸騰傳熱和兩相流的因素都會給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，導致系統(tǒng)內(nèi)機械振動、甚至設備熱疲勞損壞、沸騰傳熱性能下降等不良后果。

微通道中的沸騰傳熱可能涉及核沸騰和對流沸騰，目前主流研究認為對流沸騰占主導地位，彈狀流和環(huán)狀流是主要流型模式[3]。脫離壁面后的汽泡運動(攜帶著潛熱)影響兩相流動特性，也直接決定了沸騰傳熱性能。單相流傳熱是一種對流傳熱(包括自然對流和強迫對流)，它的傳熱驅(qū)動力是壁面溫度與主流溫度之間的溫差。而兩相流傳熱是相變傳熱和對流傳熱的耦合，相變傳熱靠不斷生長的汽泡劇烈擾動邊界層對流傳熱，稱為微對流。因此，研究汽泡生長和運動方式對沸騰傳熱的影響十分重要。

近年來，研究者對微尺度沸騰不穩(wěn)定性發(fā)生機理與控制手段開展大量的研究。代表性方法有：向微通道中加入換熱介質(zhì)，如在微通道的入口設置微汽泡發(fā)生器[4]，加入種子汽泡以增強換熱；在流體介質(zhì)中加入納米流體[5-6]，利用納米流體的高導熱性能強化沸騰傳熱；在通道入口設置空氣噴射器[7]，在微通道內(nèi)形成穩(wěn)定的氣液兩相流相變換熱。另一方法是改造微通道結構，在入口設節(jié)流裝置[8]，防止快速增長的汽泡反沖。Kuo等[9]在微通道內(nèi)壁構造人工核化穴，降低微通道內(nèi)沸騰過熱度，以減輕沸騰不穩(wěn)定性。Lee等[10]用拓展三角型微通道替代矩形微通道，克服慣性逆流，抑制蒸汽的反向流動。

微尺度流動沸騰不穩(wěn)定性的控制策略很多，目前多數(shù)研究者對其機理及技術手段還缺乏全面了解，本文針對國內(nèi)外學者提出的沸騰不穩(wěn)定性控制策略進行綜述，按照主被動關系對每種方法的原理、技術手段及其性能與優(yōu)缺點進行詳細分析與討論，并對其未來的發(fā)展方向作出展望。

1 主動式方法

1.1 種子汽泡

在一定質(zhì)量流量與熱流密度條件下，當通道內(nèi)的流體開始沸騰時，通道壁面或拐角處的汽化核心將生成大量汽泡，這些汽泡受熱后致使泡內(nèi)壓力升高后脫離壁面，被來流帶入下游。同時在流動過程中不斷吸熱生長，聚合成長汽彈。當有大量汽泡在過熱通道內(nèi)吸熱快速流動時，便會爆裂產(chǎn)生大量蒸汽，突然的能量釋放導致通道內(nèi)產(chǎn)生強大的逆壓，致使汽泡群向上游移動，發(fā)生流動逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。一旦蒸汽產(chǎn)生率減小，逆流又會被慣性來流抑制。周而復始，通道內(nèi)的壓降和溫度就會產(chǎn)生較大的脈動，導致流動沸騰不穩(wěn)定，過程如圖1(a)所示。徐進良等[11]發(fā)現(xiàn)在測量微通道中瞬態(tài)流型演變時，微通道的尖銳角區(qū)有利于產(chǎn)生汽化核心。隨后，該研究組[12-13]針對硅基微通道中缺少汽化核心、沸騰起始點過高等難題，提出種子汽泡熱流控技術，此法不僅可以阻滯蒸汽反沖，有效控制沸騰不穩(wěn)定性，還可以大幅提升換熱性能。

1.1.1 實驗原理

圖1 蒸汽反沖和種子汽泡蒸發(fā)器Fig.1 Principle of vapor recoil and the seed bubble evaporator

劉國華等[4]在微通道入口處設微汽泡發(fā)生器，采用方波脈沖電壓激勵產(chǎn)生可控微汽泡，在時間序列上產(chǎn)生的汽泡串被來流帶入微通道，充當沸騰核化穴的種子，使過熱微通道處于持續(xù)穩(wěn)定沸騰狀態(tài)。圖1(b)為該實驗裝置。微蒸發(fā)器采用標準的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)工藝制造，由上層玻璃晶片和下層硅晶片鍵合而成。在上層玻璃內(nèi)面靠近通道入口處濺射5個Pt薄膜微加熱器，與各通道對應形成種子汽泡發(fā)生器陣列。在下層硅晶片上表面刻蝕有5個并聯(lián)微通道及流體進出孔，在硅片背面和微通道對應位置濺射有Pt主加熱薄膜，作為模擬熱源加熱流體。通過脈沖函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生高低電平來控制種子汽泡的頻率，當種子汽泡發(fā)生器處于高電平時，薄膜表面產(chǎn)生微氣泡，由于薄膜加熱器溫度比周圍液體高，Marangoni效應[14]使微汽泡附著在薄膜加熱器上，當種子汽泡發(fā)生器處于低電平時，薄膜加熱器上的溫度迅速下降至低溫，此時由溫差引起的Marangoni效應消失，微汽泡在來流的剪切作用下，脫離加熱器流入下游。持續(xù)的種子汽泡流提供大量的沸騰核化中心及熱交換界面，有效增強熱質(zhì)傳輸面積，這些核化中心吸熱相變生長后把熱量帶走，從而保證通道內(nèi)穩(wěn)定高效沸騰換熱狀態(tài)。

文獻[4]表明，在單相流過熱微通道中，種子氣泡能有效控制微通道內(nèi)的沸騰起始點，在較低過熱度下誘發(fā)微通道內(nèi)沸騰換熱。對高熱流作用下的大幅不穩(wěn)定性沸騰流，低頻種泡發(fā)射能有效控制系統(tǒng)壓降、進出口溫度及通道內(nèi)壁溫度的脈動幅度，壓降幅度下降3.8 kPa左右，溫度幅度下降約10℃，并且也減少各參數(shù)的脈動周期。高頻種泡發(fā)射條件下，種子汽泡能夠徹底抑制沸騰不穩(wěn)定性，壓降幅度自沸騰時5.85 kPa穩(wěn)定維持在8.9 kPa，溫度自波動時86℃下降到63℃左右。主要原因是種子汽泡的持續(xù)產(chǎn)生，使得通道上游內(nèi)的氣液換熱面積增大，這些汽泡沿著流動方向不斷吸熱生長聚合成彈狀流，并最終形成環(huán)狀流，隨著薄液膜上的蒸發(fā)換熱，增強傳熱性能。

1.1.2 優(yōu)缺點分析

種子氣泡的優(yōu)勢是能主動、數(shù)字化操控沸騰換熱過程，顯著增強微通道內(nèi)沸騰換熱。不足之處是需要在通道內(nèi)集成種子氣泡發(fā)生器以產(chǎn)生微汽泡，換熱器制備過程復雜，成本較高。

1.2 納米流體

自Choi等[15]提出“納米流體”概念后，納米流體逐步被引入高效換熱研究。納米流體是指把納米量級的金屬、金屬氧化物顆粒或非金屬粉體分散到水、醇、油等常用液態(tài)工質(zhì)中，制備成均勻、穩(wěn)定、高導熱的功能性流體。由于納米流體具有較高的導熱系數(shù)，使得納米流體作為一種新型換熱介質(zhì)具有巨大的應用前景。目前對納米流體的研究還處在初級階段，對其傳熱機理尚未建立統(tǒng)一認識。Bang等[16]在對Al2O3納米流體研究過程中，發(fā)現(xiàn)納米流體在核態(tài)沸騰時出現(xiàn)換熱惡化的情況，但臨界熱流密度卻有很大提高。Kedzierski等[17]研究CuO-R134 Ra的沸騰換熱特性，發(fā)現(xiàn)加入納米顆粒后，換熱效率有很大提高。Lee等[18]研究了銅基微通道中納米流體的換熱特性，結果表明納米流體能強化單相對流換熱，這與宣等[19-20]的研究結果一致。徐立等[5-6]在水力直徑為143 μm的矩形硅基微通道中，以納米流體作為流動工質(zhì)，較好解決了傳統(tǒng)流體換熱效率低和沸騰不穩(wěn)定性問題。

1.2.1 實驗原理

Wasan等[21]的實驗以及Chengara等[22]的模擬研究表明納米流體具有顯著特性：納米顆粒加入會使得氣液固三相線朝著氣相方向移動，致使汽泡脫離直徑變小，脫離頻率加快。當流動沸騰時，微通道中上游流體工質(zhì)有向下游蒸汽區(qū)流動的強烈趨勢，使得干涸區(qū)域范圍縮小，從而降低蒸汽反沖的可能性。此外，納米流體的加入使得通道內(nèi)的流型發(fā)生明顯地改變，主要以小汽泡和泡狀流為主。由于泡狀流的換熱效率要明顯高于彈狀流，加上納米流體的高導熱性能，因此微通道內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定沸騰。Thome等[23]提出沸騰換熱三區(qū)模型，為便于說明納米流體流動沸騰換熱規(guī)律，徐立等[6]在此基礎上提出納米流體流動沸騰四區(qū)換熱模型，如圖2左所示。其中干涸區(qū)內(nèi)為加熱壁面與氣態(tài)之間的換熱，因此換熱效率極低；在薄液膜區(qū)，液膜蒸發(fā)發(fā)生相變換熱，換熱效率較高；在液態(tài)主體區(qū)，由于納米流體的導熱系數(shù)比純水高得多，因此在該區(qū)域的換熱效率也相當高；此外，納米流體還具有一個純水所沒有的薄液膜換熱區(qū)域，在該區(qū)域中，由于液膜較薄，加上納米顆粒的加入使液膜導熱系數(shù)升高，因此在該區(qū)域具有很高的換熱系數(shù)。換熱系數(shù)變化情況如圖2右所示。可見，納米顆粒的加入顯著提高基液的導熱性能，并形成穩(wěn)定液膜，從而強化沸騰換熱。

文獻[6]表明：1)加入納米顆粒后，當流動達到 沸騰時，壁溫脈動一開始，熱流密度就會顯著提高。另外，沸騰不穩(wěn)定性起始點明顯后移，使得微通道穩(wěn)定沸騰區(qū)域?qū)臒崃髅芏葦U寬了2 700 kW·m-2，擴大近一倍。2)納米顆粒的加入使得沸騰流型變得明顯不同。在低熱流密度條件下，通道內(nèi)形成許多小汽泡，并沒有出現(xiàn)占據(jù)整個微通道的大汽泡，流型隨時間也沒有明顯變化，從而微通道能夠持續(xù)穩(wěn)定沸騰。另外，由于汽泡直徑較小，對流動流體產(chǎn)生的阻力小，因此采用納米流體作為工質(zhì)系統(tǒng)的壓降要比純水??；在高熱流密度條件下，通道內(nèi)流型主要以泡狀流與拉長的泡狀流為主，并沒有出現(xiàn)很長的汽彈，微通道內(nèi)也沒有出現(xiàn)汽塞，阻力變化不明顯，因此換熱效率很高。沸騰持續(xù)穩(wěn)定地進行，直到加熱功率達到12 500 kW·m-2溫度才出現(xiàn)小幅度波動，且幅度不超過30℃，而壓降幅度不足7 kPa。

圖2 納米流體在微通道內(nèi)的流動沸騰換熱模型Fig.2 Four-zone heat transfer model

1.2.2 優(yōu)缺點分析

納米顆粒加入后，流型以泡狀流為主，顯著提升換熱性能，不穩(wěn)定沸騰起始點后移，得到更寬的穩(wěn)定沸騰區(qū)。特別是在高熱流密度條件下，這種作用更為鮮明。不足之處是納米流體會增加額外費用。此外，納米顆粒易沉積在通道底部，阻礙流體工質(zhì)的流動，導致壁面?zhèn)鳠釔夯?/p>

1.3 注入空氣

微通道壁面溫度過熱時，生成的蒸汽泡會發(fā)生爆炸性增長，出現(xiàn)嚴重的反向流動，給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性，因此汽泡的生成應控制在低過熱區(qū)域。為了在微通道內(nèi)得到穩(wěn)定流動沸騰，除前面所介紹的種子汽泡發(fā)生器，還可以用注入空氣的方法獲得汽泡。例如Agostini等[24]在入口處設置小孔引入空氣，可以在較低的過熱度下使汽泡成核，圖3(a)給出注入空氣形成氣液兩相流的過程。然而，通過空氣躍離小孔很難控制汽泡幾何尺寸。Han等[7]在此基礎上做了改進，在入口處安裝空氣噴射器來取代小孔，實驗裝置見圖3(b)，此法優(yōu)點就是可以在不同的操作條件下控制流動模式。他們以水為工質(zhì)，向微通道中注入空氣，通過改變注入的空氣和流體的質(zhì)量流量來控制微通道中汽泡和液塞的長度，從而維持微通道中的穩(wěn)定流動沸騰和高效換熱。

圖3 氣液兩相流形成和空氣噴射器Fig.3 Formation of vapor liquid two-phase flow and air injector

1.3.1 實驗原理

在入口處設置空氣噴射器，以一定的質(zhì)量流量向微通道中注入空氣，入口處會快速形成氣液兩相流，在還沒有進入加熱區(qū)域前流態(tài)已變?yōu)閺棤盍鳌Ｓ捎诳諝獾臒崛葸h低于水，氣液兩相流的液膜溫度比單相流的液膜溫度要高得多。因此，氣液兩相流的液膜可以在過冷區(qū)域蒸發(fā)，避免蒸汽泡爆炸性膨脹。經(jīng)研究小組調(diào)查發(fā)現(xiàn)[7]，微通道中氣液兩相流沒有發(fā)生相變，由于循環(huán)彈狀流的存在，換熱效率很高。換熱系數(shù)最初保持不變或稍減小，隨著蒸汽率的提高，換熱系數(shù)急劇增大，因此強化沸騰傳熱。結果表明，向微通道中注入空氣確實是一種切實有效的方法，當流動達到沸騰時，溫度和系統(tǒng)壓降脈動幅度均顯著降低，且具有較高的傳熱系數(shù)。

文獻[7]表明：1)注入空氣時，微通道中未出現(xiàn)嚴重的反向流動現(xiàn)象，系統(tǒng)壓降和溫度幾乎不發(fā)生變化，即使在高熱流密度下，系統(tǒng)壓降和溫度也只是輕微波動。同時，可以獲得很高的傳熱系數(shù)；2)注入空氣的質(zhì)量流量較大時，整個過程的流型幾乎不發(fā)生變化，主要以環(huán)狀流與段塞流為主。它們之間交替的頻率很高，但是段塞流的長度卻有所變短，這是由于干涸區(qū)的范圍增大的緣故；3)由于液膜在低過熱度下穩(wěn)定地蒸發(fā)，避免蒸汽泡爆炸性膨脹，平均壓降略有增加，但脈動幅度卻大大降低，壁面溫度幾乎恒定。

1.3.2 優(yōu)缺點分析

相比種子汽泡與納米流體法，此法相對經(jīng)濟。其次，該方法形成的氣液兩相流，可以在過冷區(qū)域蒸發(fā)，不僅避免嚴重的反向流動導致的換熱惡化，而且有效抑制系統(tǒng)壓降和溫度大幅度脈動，提高傳熱系數(shù)，強化沸騰傳熱。不足之處是會或多或少均夾雜有不凝性氣體，這些不凝結氣體會越來越多地匯集在液膜附近，阻礙蒸汽靠近，降低換熱系數(shù)，使換熱效率降低，因此有必要安裝氣-液分離器。另外由于空氣的氧化使得微通道內(nèi)可能出現(xiàn)有機增長，在入口處形成污垢，嚴重影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性流動沸騰和換熱，因此在注入空氣前有必要增加一個過濾器以除去氧氣，或者將空氣改為惰性氣體。

2 被動式方法

2.1 入口節(jié)流裝置

微通道入口結構，會極大影響微通道流動沸騰的不穩(wěn)定性。在普通微通道內(nèi)，當蒸汽泡長到觸壁時，會向上游拓展，發(fā)生流動逆轉(zhuǎn)，導致微通道沸騰不穩(wěn)定。在微通道入口設置節(jié)流裝置，可以有效阻止蒸汽泡反沖，使微通道處于穩(wěn)定沸騰。Qu等[25]在21根橫截面積231μm×713 μm的平行微通道中進行流動沸騰實驗，結果發(fā)現(xiàn)由于上游可壓縮體積不穩(wěn)定性導致出現(xiàn)嚴重的壓降振蕩，這是由平行通道間流動干涉引發(fā)的，見圖4(a)。于是他們在入口處安裝球形節(jié)流閥，增加入口處的壓力梯度，減少上游可壓縮性空間，解決了由于反向流動導致的壓降波動。Kandlikar等[26]在微通道入口處安裝比橫截面面積小得多的一系列小孔進行節(jié)流，流體在進入微通道前首先躍離這些小孔，由于小孔的節(jié)流作用能夠很好地阻止蒸汽反向流動，從而達到消除沸騰不穩(wěn)定性的目的。王國棟等[8]在入口處安裝節(jié)流裝置，如圖4(b)所示，顯著改善微通道內(nèi)沸騰不穩(wěn)定性，同時獲得較高的傳熱系數(shù)。

圖4 平行通道間流動干涉和入口節(jié)流裝置Fig.4 Flow interference between parallel channels and the inlet throttling device

2.1.1 實驗原理

Qu等[25]的實驗研究發(fā)現(xiàn)，在平行通道間由于流動干涉會在兩個通道之間產(chǎn)生相位差接近180°的流量脈動。當一個系統(tǒng)中有很多平行通道時，則幾乎看不出流量脈動現(xiàn)象，這是由于很多通道均勻分攤較小脈動的緣故。通道之間的脈動是由于密度波不穩(wěn)定性引起的，一個通道產(chǎn)生的密度波振蕩，就會引起相鄰諸通道的振蕩。根據(jù)王國棟等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，由于每個微通道的入口限制，會在入口處形成一個陡峭的壓力尖峰梯度，以抵抗下游干涸區(qū)局部液膜蒸發(fā)產(chǎn)生的逆壓，從而避免蒸汽反向流動帶來不穩(wěn)定性。入口處生成的孤立小汽泡，在向下游移動過程中受熱膨脹聚合成大汽泡，隨后變成細長的汽彈，最終發(fā)展成為環(huán)狀流，故沸騰換熱系數(shù)很高。另外，由于極小的入口直徑，減輕平行微通道之間的流動干涉，同時抑制上游可壓縮空間不穩(wěn)定性和移動不穩(wěn)定性。因此，在入口處安裝節(jié)流裝置，可以有效抑制反向蒸汽流動，達到穩(wěn)定沸騰。

文獻[8]表明：1)在微通道入口安裝節(jié)流裝置，流體工質(zhì)的流入受到限制，達到穩(wěn)定流動沸騰，并且在這些微通道內(nèi)，沒有蒸汽反向流動。2)在微通道角區(qū)某些位置，彈狀流和環(huán)狀流的液膜瘦成核液膜，該核液膜的生命周期很短，約0.14 ms。同時，可以觀察到微通道的干涸現(xiàn)象。Taylor流[27-28]是由一系列長度穩(wěn)定的汽泡和液彈組成，并且汽泡和液彈會周期性交替出現(xiàn)。隨著蒸汽質(zhì)量的增加，干涸區(qū)周期增加，由于Taylor流汽泡的液膜容易破裂，導致微通道干涸。3)安裝入口節(jié)流裝置可以獲得很高的換熱系數(shù)。在過冷沸騰區(qū)域階段，隨著出口蒸汽質(zhì)量的增加，傳熱系數(shù)隨之增大。但從局部沸騰過渡到充分發(fā)展核沸騰，由于局部干涸的存在，傳熱系數(shù)隨著出口蒸汽質(zhì)量的增加而降低。

2.1.2 優(yōu)缺點分析

入口節(jié)流裝置構造簡單，便于制造和維修，成本低，經(jīng)濟性好。該方法不僅可以有效限制蒸汽泡的反向流動，使系統(tǒng)穩(wěn)定，而且可以獲得很高的換熱系數(shù)，強化沸騰傳熱。此法特別適用于高熱流密度微通道，可以避免過大的溫度波動和早期怠倦。缺點是由于入口節(jié)流裝置的節(jié)流作用，當流體通過一小孔時一部分靜壓將轉(zhuǎn)變?yōu)閯訅?，流速會急劇增大，致使流體發(fā)生擾動，摩擦阻力增加，靜壓下降，達到降壓調(diào)節(jié)流量的目的，但是這種調(diào)節(jié)方式精度不高，不能作調(diào)節(jié)使用，還會給整個系統(tǒng)帶來很大的壓力降，使系統(tǒng)不穩(wěn)定；節(jié)流小孔處易沖蝕，因此對材料有較高要求。

2.2 人工核化穴

微通道光滑壁面嚴重阻礙汽泡成核，液體需要很高過熱度才能產(chǎn)生汽化核心。在過熱的液體中一旦產(chǎn)生蒸汽泡，隨之發(fā)生爆炸性增長，引發(fā)不穩(wěn)定沸騰流動振蕩，以及過早地出現(xiàn)臨界熱流密度等。Bergles等[29]陳述了影響微通道換熱的兩大不穩(wěn)定性：上游可壓縮體積/壓降和移動性不穩(wěn)定性。隨后Kuo等[9]通過細致的觀察研究，對不穩(wěn)定性沸騰起因提出另外兩種解釋：汽泡的快速增長和過早地出現(xiàn)臨界熱流密度。經(jīng)過分析，他們認為人工核化穴能夠有效地減緩振蕩引起的汽泡快速增長，抑制上游可壓縮體積不穩(wěn)定性，從而得到一個更穩(wěn)定的沸騰過程和長期穩(wěn)定的核態(tài)沸騰。汽泡在人工核化穴上產(chǎn)生、脫離和移動過程見圖5(a)。人工核化穴根據(jù)其連接方式可分為孤立的人工核化穴和相連的人工核化穴，如圖5(b)，(c)所示。文獻[30]在此基礎上研究微通道出口壓力對沸騰不穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)高出口壓力能提升流動工質(zhì)飽和溫度，有效延緩沸騰不穩(wěn)定性的發(fā)生，降低系統(tǒng)壓降和溫度脈動幅度。之后，文獻[31]又結合入口節(jié)流裝置和人工核化穴兩種方法，獲得了更好的效果。

圖5 在人工核化穴處汽泡的形成過程以及人工核化穴的兩種類型實物圖Fig.5 Formation of bubble and the two types of artificial nuclear cavities

2.2.1 實驗原理

初始成核階段，汽泡快速增長膨脹至觸壁后迅速向上游擴展，引起蒸汽反沖，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。這與以下兩種機理有關：高過熱度流體啟動汽泡生長。由于液體過熱，在成核之前，壁面達到很高的過熱度，一旦觸發(fā)沸騰，過熱的汽泡會迅速改變相位引起爆炸性增長；汽泡增長過程中內(nèi)部產(chǎn)生的很大壓力。根據(jù)汽泡動力學可知，泡內(nèi)壓力升高，汽泡群周圍液體區(qū)域的壓力會暫時性增大，導致流動逆轉(zhuǎn)。此時，局部壓力的微小改變都可以在整個微通道中產(chǎn)生很大的作用力，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，首先要降低液體的過熱度，這可以通過人工核化穴來實現(xiàn)。其次，要能對汽泡增長過程中內(nèi)部的高壓快速作出響應，這可以通過在通道入口處設置小孔來解決。由于小孔的節(jié)流作用，從而降低汽泡增長速率。

過早地出現(xiàn)臨界熱流密度引起的不穩(wěn)定性，上游可壓縮體積不穩(wěn)定以及平行通道不穩(wěn)定均與臨界熱流密度過早出現(xiàn)有關?？梢圆捎萌斯ず嘶?，在微通道中生成統(tǒng)一有序的汽泡，有效緩和局部空隙率變化，減輕由密度波引起的上游可壓縮體積不穩(wěn)定性，并減緩平行通道間由于流動干涉引發(fā)的不穩(wěn)定性，同時這個效果也可以反過來抑制臨界熱流密度的過早出現(xiàn)。綜上，人工核化穴通過提供大量的汽化核心，得到大量的汽泡，強化沸騰傳熱。同時，這些人工核化穴本身吸收一部分熱量，避免汽泡快速增長帶來不穩(wěn)定性問題。

文獻[9]表明：在普通微通道中，一旦發(fā)生核沸騰，便開始發(fā)生流動振蕩，沒有穩(wěn)定沸騰區(qū)，它的核沸騰起始點ONB和流動振蕩點OFO重合，開始振蕩后內(nèi)壁溫度逐漸上升，換熱惡化；而對于人工核化穴微通道，在低得多的熱流密度下便發(fā)生核沸騰，在沸騰曲線中，溫度斜率發(fā)生顯著變化之后是更穩(wěn)定的沸騰過程，最終能達到更高的臨界熱流密度。

2.2.2 優(yōu)缺點分析

人工核化穴可以顯著降低沸騰過熱度，延緩汽泡成核，減輕流動振蕩，得到更寬的穩(wěn)定沸騰區(qū)域和更高的臨界熱流密度，并減輕流動沸騰不穩(wěn)定性。不足之處是制造工藝復雜，會增大流動阻力，并有可能增加系統(tǒng)不穩(wěn)定性發(fā)生的概率。

2.3 拓展通道

Chang等[32]在水力直徑為86.3 μm的矩形截面平行微通道中研究流動沸騰不穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在不穩(wěn)定流動情況下的流型明顯不同于穩(wěn)定流動情況，采用流動逆轉(zhuǎn)至入口室作為判斷穩(wěn)定流動和不穩(wěn)定流動的標準，對應的壓降為6 kPa，建立流型圖6(橫坐標為相變數(shù)Npch，縱坐標為過冷度Nsub)來區(qū)分兩相流穩(wěn)定性與不穩(wěn)定性的界限?？梢娋哂芯鶆蚪孛嫖⑼ǖ赖姆€(wěn)定區(qū)域非常狹窄，非常接近零出口質(zhì)量線Xe=0，這清楚地表明在具有均勻截面設計的平行微通道中的流動沸騰是非常不穩(wěn)定的。Lee等[10]用拓展三角形微通道(沿流動方向呈現(xiàn)三角形漸擴的截面設計)替代矩形微通道(等截面設計)研究微通道截面幾何形狀對沸騰傳熱的影響，如圖7(a)所示，并意外地發(fā)現(xiàn)彈狀流蒸汽泡在微通道中呈指數(shù)增長。實驗結果表明，在沸騰傳熱方面，拓展通道比矩形通道更好，兩相流沸騰在拓展通道中更穩(wěn)定。還有Kandlikar等[33]把人工核化穴和拓展通道結合起來混合使用，達到不錯的效果。

圖6 以無量綱過冷度和相變數(shù)表示的穩(wěn)定性邊界[32]Fig.6 Stability boundary on the flow map of subcooling number vs.phase change number

2.3.1 實驗原理

拓展通道之所以能夠穩(wěn)定沸騰傳熱，是因為入口處緩變收縮結構，一旦達到沸騰條件，就會在汽泡成核位置會產(chǎn)生一個壓力尖峰梯度，可以有效克服反沖氣流的慣性，抑制蒸汽反向流動，從而保證微通道穩(wěn)定沸騰。隨著壁面加熱溫度的升高，純水的粘度會降低，因此，系統(tǒng)壓降隨著熱流密度的增加而下降，但熱流密度不能過大，否則將會由于局部干涸導致壓降增大，致使系統(tǒng)不穩(wěn)定。為便于說明，將入口中心線與兩側(cè)的夾角稱為發(fā)散角α，如圖7(b)所示，當發(fā)散角α設計的比較小時，拓展通道越接近平行通道，可以在一定程度上約束蒸汽反向流動，降低沸騰不穩(wěn)定性。當發(fā)散角α設計的比較大時，雖然有助于抑制蒸汽反向流動，但同時也減慢了流速，可能會導致更密集的沸騰或蒸發(fā)，甚至引發(fā)干涸，特別是靠近出口處，所以一個適宜大小的發(fā)散角α對于穩(wěn)定流動沸騰至關重要。另外，可以從穩(wěn)定性圖表和非維數(shù)[34]兩方面都能解釋漸擴斷面的拓展微通道，流動沸騰區(qū)域更寬，穩(wěn)定性更好。

圖7 拓展三角型通道的原理結構圖和軸測圖Fig.7 Principle of extending channel and the axis mapping of triangular microchannel

文獻[10]表明：1)拓展通道中不存在流動逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。沸騰時汽泡的生成、生長，運動都很平穩(wěn)，具有穩(wěn)定的沸騰區(qū)域和較高的沸騰傳熱系數(shù)；2)在拓展通道里，由于汽泡和壁面之間的液膜快速蒸發(fā)，彈狀流中的汽泡呈現(xiàn)指數(shù)增長。此外，拓展通道中汽泡的增長速率要大于均勻截面微通道；3)在相同的熱流密度條件下，沸騰開始后，拓展微通道和矩形微通道中存在大致相同的兩相流壓降，對于矩形微通道，入口處的壓力緩慢下降，接近出口處壓力下降得很快，因為在下游區(qū)域產(chǎn)生更多的蒸汽。相反地，對于拓展微通道，入口處的壓力迅速下降，接近出口處壓力逐漸慢慢下降，這是由于微通道入口處的壓力尖峰梯度抵抗蒸汽反向流動的結果。

2.3.2 優(yōu)缺點分析

拓展微通道有較大的慣性作用，可以有效阻滯蒸汽反向流動，減輕流動沸騰過程中的脈動，獲得較高的傳熱系數(shù)。不足的是和人工核化穴法一樣，大大增加流動阻力。

3 各種方法比較

通過系統(tǒng)的分析與探討，各方法的原理、技術手段、性能等見表1。

表1 各種方法的比較Tab.1 Comparison of various methods

4 發(fā)展方向與展望

1902年，Wood[35]描述了衍射光柵的反常衍射現(xiàn)象，這是因光波激發(fā)等離子體元誘發(fā)表面等離子體振動所致。Ritchie[36]于1957年發(fā)現(xiàn)，高能電子束穿透金屬介質(zhì)時，激發(fā)出金屬自由電子在正離子背景中的量子化振蕩運動；不僅在等離子體內(nèi)部存在等離子體振動，而且在等離子體和其他電介質(zhì)界面也存在表面等離子體振動。隨后，人們發(fā)現(xiàn)除電子束以外，用電磁波，如光波，也能激發(fā)表面等離子體振動。表面等離子體共振是一種新奇的光物理效應。在光照作用下，金屬納米粒子表面的自由電子會發(fā)生極化，在納米粒子內(nèi)部產(chǎn)生偶極子，它們會隨著電磁場的變化而集體振蕩，在特定波長光波下會產(chǎn)生強烈的表面等離子體共振，吸收入射光。光誘導等離子體生成汽泡見圖8(a)。等離子體共振需要一定條件：尺寸、形貌合適的等離子體激元；離子體激元周圍的電介質(zhì)環(huán)境；激發(fā)光源的波長與能量；以及激發(fā)源與等離子體間的匹配關系等。金、銀、鉑等貴金屬納米粒子均具有很強的等離子體共振效應。金屬納米粒子表面等離子體光學在能源、催化、生物醫(yī)學成像等領域有廣泛的應用前景。

2009年，Adleman等[37]研究了等離子體加熱非均相催化反應。實驗在100 μm×40 μm的微通道中進行，采用PAC(聚合氯化鋁)結構裝置圖8(b)。頂蓋為透明PDMS(聚二甲基硅氧烷)基片，用于接收入射光。金屬納米粒子通過PVP(聚乙烯吡咯烷酮)光刻技術涂覆到基底載玻片上，形成納米催化陣列。實驗中，采用二極管泵浦綠光激光器為驅(qū)動源，發(fā)射波長為532 nm。并用彩色CCD相機(Charge-coupled Device Camera)加顯微鏡觀察該過程。實驗發(fā)現(xiàn)：1)以純凈水為工質(zhì)時，在微通道角區(qū)觀察到穩(wěn)定的汽泡，且此汽泡會隨著光源位置的移動而被拖拽，關閉激光時，該汽泡幾乎瞬間消失；2)用水-乙醇混合液為工質(zhì)時，連續(xù)生成汽泡非常明顯，當激光束掃過后，汽泡會消失，在微通道中可以觀察到羽流，見圖8(c)。長時間運行后，激光聚焦區(qū)域變黑并伴有固定沉積物，拉曼光譜檢測發(fā)現(xiàn)這是C沉積或焦化形成的，這很好證明納米金屬等離子體的熱催化作用。

圖8 金屬納米汽泡形成原理圖和微通道中的羽流成像Fig.8 Nano-bubble formation mechanism and the plume imaging in microchannel

Fang等[38]進行光誘導金屬納米粒子等離子體激發(fā)產(chǎn)生蒸汽實驗研究，采用表面增強拉曼散射技術，以光子作探針，實時監(jiān)測過程的相關參數(shù)，如汽泡半徑、氣泡內(nèi)壓力以及納米粒子的表面溫度。其微通道寬度遠大于激光束的直徑，當使用足夠強度的激光直接照射金屬納米粒子時，就會在金屬納米粒子表面發(fā)生電子共振現(xiàn)象。吸收的能量迅速轉(zhuǎn)化為熱量，并且這個熱量可以很快傳遞到周圍液體中，使之蒸發(fā)產(chǎn)生汽泡。實驗發(fā)現(xiàn)：1)當激光的功率較低時，納米粒子的熱量傳遞到液體中，形成一個穩(wěn)態(tài)熱梯度，當激光的功率較高時(≥25 MW)，液體汽化形成納米汽泡，其蒸汽殼相當于一層熱屏障，減少熱量傳遞到周圍的液體中；2)微泡尺寸大小取決于入射光的強度，以及金屬納米粒子間的平均間距。入射光強度越大，粒子間平均間距越短，汽泡尺寸越大。相鄰納米汽泡中心會聚合形成更大的微泡膜，包絡幾個納米汽泡。

光控表面等離子體技術可實現(xiàn)在納米尺度上操控光子：精細調(diào)控加熱位置、加熱區(qū)域大小、和熱量持續(xù)時間。因此，該技術的發(fā)展有望解決微尺度沸騰傳熱問題。把表面等離子體光控技術應用于微通道沸騰傳熱中，在微通道內(nèi)壁做等離子點光熱核化穴，用于汽泡成核。將汽泡發(fā)生器改成等離子體激元發(fā)生器，發(fā)射一定的金屬納米顆粒固定在相應等離子點光熱核化穴處，然后以一定脈沖頻率及功率激光直射加熱微通道中的等離子體激元，驅(qū)動表面等離子體共振。等離子體相當于一個能量轉(zhuǎn)換器，將吸收的光子能量轉(zhuǎn)化為熱能，周圍液體被該熱能加熱后發(fā)生汽化，當流體開始沸騰時，就會在在等離子點光熱核化穴處產(chǎn)生汽泡，從而使微通道中的流動沸騰能夠持續(xù)穩(wěn)定高效進行。

光控表面等離子體法的優(yōu)點是過程高度區(qū)域化，無需任何外接線路，通道周圍環(huán)境可保持為室溫，有效避免高溫損壞，不足之處是需要激光激發(fā)。

5 結 論

微尺度沸騰傳熱不穩(wěn)定性控制一直是國際傳熱學的研究熱點，目前研究仍停留在對實驗現(xiàn)象觀察上，對微尺度沸騰不穩(wěn)定性的發(fā)生機理及其控制手段還需更深層面的認識。迫切需要發(fā)展切實可行的方法來抑制微通道中流動沸騰不穩(wěn)定性，本文所論述的方法中，主動式方法是向微通道中加入大量換熱介質(zhì)來穩(wěn)定強化沸騰傳熱，這些介質(zhì)可以是種子汽泡，納米流體或者空氣；被動式方法是通過改變微通道結構來抑制兩相流沸騰不穩(wěn)定性，可以在微通道入口處安裝節(jié)流裝置，或在通道內(nèi)壁加刻人工核化穴，也可以采用拓展微通道，但這些方法會增加流動阻力，給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定性因素。文中的論述結果對微通道相變換熱系統(tǒng)的設計、控制及運行有重要指導意義，具有明顯的工業(yè)應用價值。

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責任編輯：丁吉海

Controlling Strategies for Flow Boiling Instability in Microchannels

YU Tongpu1,XU Jinliang2,LIU Guohua1
(1.School of Energy and Environment,Anhui University of Technology,Ma’anshan 243002,China;2.School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)

Microscale flow-boiling instability is an intriguing phenomenon in heat-transfer microchannels.The instable flow and heat transfer induces harmful vibration to the thermal equipment,and shifts the thermal dynamic process,resultingininefficientheattransferandnon-uniformthermalstress,creatingfatiguedamagetotheequipment. It is thus important to suppress such instability and improve the efficiency of phase change heat transfer.In this article,the control strategies for flow boiling instability in microchannel are summarized.These strategies can be divided into two categories:active and passive schemes.The active-controlling methods include seed bubble technology,air bubble injection,nanofluids.The passive-controlling methods involve introducing inlet throttling device,fabrication of nucleation cavity,using expanding channels etc.This paper describes the principle,technical routes and performance of each kind of the methods.The advantages and disadvantages of the proposed approaches are compared and discussed.Future research directions are additional targeted.The result of this study provides guidance of the design,control and operation of micro-heat transfer system.

microchannels;phase change;instability;active methods;passive methods

TK 124

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.04.006

1671-7872(2016)04-0332-11

2016-09-20

國家自然科學基金項目(51576002)；安徽工業(yè)大學青年科研基金(QZ201415)；安徽省教育廳財政廳引進高校領軍人才團隊項目(DT14100334)

余同譜(1991-)，男，安徽潛山人，碩士生，主要研究方向為微尺度傳熱。

劉國華(1979-)，男，安徽黃山人，教授，主要研究方向為多相流熱質(zhì)輸運。