微柱群流動(dòng)及換熱研究進(jìn)展

王樂，翁建華

（上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海200090）

近年來工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)之一是小型化、微型化。比如，由于電子產(chǎn)品的小型化、微型化，對(duì)單位面積散熱量的要求不斷提升[1]。有研究表明，計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU）的失效，55%由溫度過高引起[2]。對(duì)散熱技術(shù)也提出了更高更嚴(yán)的要求。在這樣的背景下，微尺度傳熱流動(dòng)研究越來越受到關(guān)注[3-5]。

微柱群是具有微圓柱陣列的微通道結(jié)構(gòu)，能夠增大有效傳熱面積，同時(shí)具有強(qiáng)烈的擾流作用，增大傳熱系數(shù)。近年來微柱群結(jié)構(gòu)應(yīng)用越來越廣泛，比如，在載人航天器電解水制氧系統(tǒng)中電解槽的應(yīng)用[6]；微柱群在生物醫(yī)療上的應(yīng)用[7]；微柱群反應(yīng)器在新能源汽車醇類制氫技術(shù)中的應(yīng)用等[8]。因此，對(duì)微柱群內(nèi)流動(dòng)換熱機(jī)理的研究成為近年來的熱點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)、納米粒子對(duì)微柱群流動(dòng)換熱的影響。除此之外，沸騰換熱在進(jìn)行電子器件冷卻時(shí)具有傳熱系數(shù)高和傳熱溫差低的特點(diǎn)，在地面和航空航天電子設(shè)備的冷卻上都有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于常重力和微重力下沸騰換熱研究具有重要意義[9]。

已有一些文獻(xiàn)對(duì)微通道流動(dòng)換熱研究進(jìn)行了綜述[10-13]，但對(duì)微柱群流動(dòng)換熱進(jìn)行綜述的文獻(xiàn)很少。本文針對(duì)結(jié)構(gòu)、納米粒子對(duì)微柱群流動(dòng)換熱的影響以及不同重力水平下微柱群通道沸騰換熱機(jī)理進(jìn)行了歸納和總結(jié)。

1 結(jié)構(gòu)對(duì)微柱群流動(dòng)與傳熱的影響

1.1 截面形狀對(duì)流動(dòng)與傳熱影響

張承武等[14]研究了不同截面形狀的叉排微柱群通道流動(dòng)傳熱特性，發(fā)現(xiàn)圓形截面壓降最大，橢圓形壓降最小。這是由于流體繞流橢圓形微翅片時(shí)不易產(chǎn)生旋渦，縱向較長(zhǎng)的針翅間隙將降低旋渦阻力。菱形翅片的兩個(gè)側(cè)角暴露在來流中會(huì)產(chǎn)生較多的旋渦，使得壓降高于橢圓形。作者采用Kosar等[15]提出的菱形微柱群阻力關(guān)聯(lián)式，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值偏差較小。Liu等[16]研究了交錯(cuò)排列的微柱群流動(dòng)阻力以及傳熱特性，發(fā)現(xiàn)Re＜100且加熱功率為50W時(shí)，橢圓形和圓形的Nu值接近，菱形的Nu值比橢圓形和圓形略小。當(dāng)加熱功率為100W、150W時(shí)，橢圓形針翅的Nu值最大，菱形的Nu值最小。原因可能是尾流區(qū)的流動(dòng)從層流轉(zhuǎn)變成湍流后，結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)傳熱的影響開始表現(xiàn)出來，導(dǎo)致3種截面的Nu值不同。Hua等[17]對(duì)不同截面形狀微柱群流動(dòng)阻力進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Re在100附近時(shí)，圓形微柱群的摩擦系數(shù)最大，這是由于當(dāng)流體繞流圓形微柱群時(shí)，流體與壁面之間的分離發(fā)生得更早。橢圓形具有良好的流線型結(jié)構(gòu)，流體與壁面之間的摩擦系數(shù)較小。

Huang 等[18]發(fā)現(xiàn)橫截面積相同時(shí)，由于橢圓形的微翅片側(cè)部面積較大，會(huì)導(dǎo)致局部換熱系數(shù)較大。而水滴型針翅尾部的流體與壁面分離區(qū)變窄，壓損也較小。Wang 等[19]對(duì)不同截面微柱群傳熱及流動(dòng)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，Re=150～750時(shí)，雖然流線型傳熱性能優(yōu)異，但壓降較大。菱形截面壓降最小，可能是凸出的棱角將來流一分為二，減少了碰撞次數(shù)。流體與針翅之間的剪切力較小，從而使得阻力最小，并且在相同的壓降下表現(xiàn)出熱阻最小。作者建議，若同時(shí)兼顧整體傳熱性能和水力性能，菱形應(yīng)為最佳截面的微柱群，若傳熱性能是優(yōu)先考慮的因素時(shí)，流線型截面是最佳的選擇。

由于有些微柱群結(jié)構(gòu)加工難度較高，于是有學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。張秀強(qiáng)等[20]對(duì)圓形、三角形和方形截面微柱群的流動(dòng)傳熱進(jìn)行模擬，結(jié)果表明三角形流動(dòng)阻力較大，這是由于其尾部的擾流區(qū)比圓形和方形更寬。Ambreen 等[21]通過拉格朗日-歐拉方法，探究不同的截面引起的尾流效應(yīng)，如圖1所示。作者分析發(fā)現(xiàn)，較寬的尾流不利于流動(dòng)傳熱。三角形的上游角易形成寬尾流，而方形尾流寬度較小，相比于方形和三角形，圓形微柱群流體與壁面的分離被延遲，尾流寬度減小，有助于進(jìn)一步優(yōu)化熱性能。

圖1 三種不同形狀截面微柱群引起的尾流效應(yīng)［21］

1.2 其他結(jié)構(gòu)因素對(duì)流動(dòng)傳熱的影響

除了截面形狀外，近年來微翅片的高度、排列密度以及具有凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)換熱的影響也成為了研究的熱點(diǎn)。

Zhang 等[22]設(shè)計(jì)了一種橢圓形截面的翅片，并研究了針翅間距、高度和傾斜角度對(duì)流動(dòng)傳熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)，傳熱系數(shù)隨著排列密度的減小而增加，水平間距保持不變，傳熱系數(shù)隨著翅片高度的增加而增加。同時(shí)增加針翅高度和水平間距，傳熱效果變差。增加微針翅傾斜角度導(dǎo)致傳熱逐漸惡化。微柱群表面的凹坑結(jié)構(gòu)能夠增大有效傳熱面積，起到強(qiáng)化傳熱的作用。Li等[23]對(duì)具有凹坑結(jié)構(gòu)的微柱群流動(dòng)傳熱性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低Re數(shù)時(shí)，較小的凹坑深度有助于增強(qiáng)傳熱，增加微針翅的直徑會(huì)擴(kuò)大尾流區(qū)域，導(dǎo)致在加熱壁面上流體的流動(dòng)更加劇烈，作者認(rèn)為具有凹坑結(jié)構(gòu)的微柱群，微針翅的直徑是影響傳熱性能和流動(dòng)阻力的主導(dǎo)因素。

歸納以上研究可以發(fā)現(xiàn)，圓形截面的微柱群壓降和熱阻較大，但在尾流效應(yīng)方面，圓形截面形成較小的尾流寬度有助于傳熱性能的優(yōu)化。流線型截面雖然表現(xiàn)良好的傳熱性能，但是壓降較大，可能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。菱形截面表現(xiàn)出較小的熱阻和壓降。所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需根據(jù)所需優(yōu)先滿足的條件，綜合各種截面形狀的優(yōu)劣進(jìn)行選擇。微針翅的間距和高度對(duì)傳熱效果的影響相互關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)微針翅之間最佳的間距和高度比是未來需要探索的問題。從微觀角度分析，微針翅形成的較小的尾流寬度有利于流動(dòng)換熱的進(jìn)行。可能是微尺度下基體材料、加工方法以及流體工質(zhì)、測(cè)量手段等因素限制，只有較少的關(guān)聯(lián)式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，未來應(yīng)更多關(guān)注針翅的截面形狀、排列方式等，并建立準(zhǔn)確度較高的關(guān)聯(lián)式。此外，帶有凹坑的微柱群能在一定程度上增加換熱面積，起到強(qiáng)化傳熱的效果，但微針翅直徑和凹坑深度的最佳比例也有待進(jìn)一步研究。

2 納米粒子對(duì)微柱群?jiǎn)蜗嗔鲃?dòng)與傳熱的影響

納米流體的概念由Choi 和Eastman[24]于1995 年提出，原理是向基液中添加高熱導(dǎo)率的納米粒子，配置出傳熱系數(shù)更高的新型傳熱工質(zhì)，納米粒子具有表面效應(yīng)等一般固體不具有的特殊性質(zhì)，可以有效強(qiáng)化溶液的傳熱、傳質(zhì)過程[25]，同時(shí)具有傳輸、邊界層混合以及滲透作用[26-28]。近年來，納米流體與微柱群通道分別作為高效傳熱流體介質(zhì)與強(qiáng)化傳熱結(jié)構(gòu)獲得學(xué)者們的廣泛關(guān)注，部分納米流體應(yīng)用在微柱群流動(dòng)傳熱的文獻(xiàn)見表1。分析表1 可知，研究重點(diǎn)主要為納米粒子的類型、濃度、熱導(dǎo)率、粒徑大小在微柱群通道中的流動(dòng)與換熱特性。

Seyf等[30]使用有限體積法對(duì)Al2O3、CuO/水納米流體在微柱群通道傳熱和壓降方面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與去離子水相比，Al2O3和CuO/水納米流體熱效率相應(yīng)提高了1.4%～4.1%和3.8%～9.4%，CuO/水納米流體比Al2O3/水納米流體具有更優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，這是由于CuO 粒子比Al2O3粒子具有更高的熱導(dǎo)率。若同時(shí)減小Al2O3和CuO粒徑，Al2O3/水納米流體熱導(dǎo)率升高，而CuO/水納米流體的熱導(dǎo)率呈降低的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種異?？赡苁橇綔p小后，比表面積增加，出現(xiàn)局部滲濾效應(yīng)導(dǎo)致。Zhou等[29]研究了銀納米流體在微柱群中的熱阻和壓降特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與純水相比，納米流體的壓降略有增加，但增幅最大只在10%以內(nèi)，這是由于納米流體相對(duì)于純水黏度增加，導(dǎo)致壓降增加。當(dāng)溫度升高后，納米流體黏度隨之降低，納米粒子運(yùn)動(dòng)的無序性增加，傳熱效果增強(qiáng)，但是，作者也發(fā)現(xiàn)納米流體的高黏度會(huì)抑制傳熱強(qiáng)化效果。

Duangthongsuk 等[33]通過實(shí)驗(yàn)探究了ZnO/水和SiO2/水納米流體在微柱群通道流動(dòng)傳熱性能，發(fā)現(xiàn)增加納米流體的體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致微柱群表面溫度迅速降低，這可能是因?yàn)榧{米粒子懸浮在基液中增強(qiáng)了能量的傳遞過程。ZnO/水納米流體的傳熱性能比SiO2/水提高了3%～9%，這可能是由于ZnO 的熱導(dǎo)率高于SiO2納米粒子。體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，不同類型納米粒子對(duì)于微柱群通道的壓降影響很小。Ambreen 等[38]采用歐拉-拉格朗日模型對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)下Al2O3納米粒子在微柱群通道熱性能進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，體積分?jǐn)?shù)為0.25%、0.5%、1%時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)分別提高了8.4%、11.5%和16%。此外，作者還發(fā)現(xiàn)如果能減小微針翅的尾流寬度，也有助于進(jìn)一步強(qiáng)化納米流體在微柱群的傳熱性能。Zhang 等[39]通過兩步法制備了SiC-水納米流體，通過實(shí)驗(yàn)研究了微柱群在不同體積分?jǐn)?shù)下納米流體的流動(dòng)和傳熱特性，發(fā)現(xiàn)Nu隨著體積分?jǐn)?shù)的增加而減小，這是因?yàn)楫?dāng)Re較小時(shí)，黏性效應(yīng)弱，但隨著Re的升高，黏性作用不斷增強(qiáng)。黏度較高時(shí)會(huì)抑制納米粒子的運(yùn)動(dòng)，不利于強(qiáng)化傳熱。所以當(dāng)SiC/水體積分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，傳熱性能表現(xiàn)最好，如圖2所示。

表1 納米粒子應(yīng)用在微柱群流動(dòng)換熱研究的文獻(xiàn)

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)下Re和Nu的變化［39］

金剛石作為一種新型的碳納米材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異、硬度高、熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，在機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，而近年來也被應(yīng)用到微柱群通道中以增強(qiáng)換熱效果。Hasan等[31]將金剛石和Al2O3納米粒子應(yīng)用在微柱群通道中進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，金剛石熱導(dǎo)率高于Al2O3納米粒子，配置而成的納米流體也具有較高的熱導(dǎo)率，這和Seyf、Duangthongsuk 等[30,33]得出的不同類型納米粒子熱導(dǎo)率之間比較的結(jié)論保持一致。此外，作者還發(fā)現(xiàn)增加納米流體的黏度，微柱群通道內(nèi)壓降會(huì)進(jìn)一步增加。

石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道組成六角形呈蜂巢晶格的碳納米材料，具備比表面積大、穩(wěn)定性高、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，厚度僅為0.335nm，是目前世界上最薄的納米材料。其特殊的結(jié)構(gòu)決定了石墨烯具有較高的斷裂強(qiáng)度、機(jī)械延展性、電導(dǎo)性、透光性等優(yōu)異的特性，石墨烯產(chǎn)業(yè)也被列入我國的“十三五”規(guī)劃和科技戰(zhàn)略重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一[40-42]。Sadri 等[43]成功配置了一種新型石墨烯納米流體，相比于常規(guī)石墨烯薄片納米流體，所得到的納米流體綠色環(huán)保且具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。Bahiraei 等[44]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)此種納米流體的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)與純液體冷卻劑相比，新型納米流體不僅能夠強(qiáng)化傳熱，而且壓降和熱阻很小，表面溫度分布均勻。此項(xiàng)研究也表明新型石墨烯納米流體用作冷卻劑不僅傳熱性能優(yōu)異，而且具有穩(wěn)定的特點(diǎn)。

納米粒子由于布朗運(yùn)動(dòng)的存在且具有小尺寸效應(yīng)，在微柱群通道內(nèi)不易沉淀[45]。納米粒子加入基液中可以增強(qiáng)傳熱，隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，傳熱不斷得到增強(qiáng)。而與此同時(shí)，黏度隨著體積分?jǐn)?shù)的增加也在增加，納米粒子的運(yùn)動(dòng)受到抑制，會(huì)降低傳熱系數(shù)并伴隨著壓降增加。最終傳熱增強(qiáng)還是減弱取決于導(dǎo)熱的增強(qiáng)和黏度增強(qiáng)帶來的負(fù)面影響作用之間的綜合作用。同種基液下熱導(dǎo)率較高的納米粒子，配置成的納米流體具有較高的熱導(dǎo)率。設(shè)計(jì)合適的微柱群結(jié)構(gòu)，減小微針翅尾流區(qū)寬度，也有助于納米流體在微柱群通道內(nèi)流動(dòng)阻力的減小。

3 微柱群沸騰換熱

微柱群沸騰換熱過程存在相變潛熱，在常重力和空間微重力下都有重要的應(yīng)用。探究不同重力水平下的沸騰換熱有助于深入了解沸騰換熱機(jī)理[46]。不少學(xué)者對(duì)常重力和微重力下沸騰換熱機(jī)理進(jìn)行了研究，部分研究結(jié)論及關(guān)聯(lián)式見表2。

3.1 常重力沸騰換熱

微柱群通道內(nèi)流動(dòng)沸騰主要有核態(tài)沸騰和對(duì)流沸騰兩個(gè)過程。其中，以核態(tài)沸騰為主的傳熱機(jī)制特征是換熱系數(shù)與熱通量相關(guān)，而對(duì)流沸騰換熱的特征是質(zhì)量流率對(duì)換熱系數(shù)影響較大。

Kong等[58]發(fā)現(xiàn)過冷核沸騰總是在微針翅角的周圍開始，這是因?yàn)榱黧w與微柱群壁面分離后形成尾流區(qū)域，針翅表面溫度升高直至滿足氣泡產(chǎn)生過程中過熱度的需要。作者在Sato等[60]提出的核沸騰熱流量關(guān)聯(lián)式基礎(chǔ)上建立了新的預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式，結(jié)果顯示85.7%的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值誤差在15%以內(nèi)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保持較好的一致性。Jung等[61]通過沸騰實(shí)驗(yàn)對(duì)交錯(cuò)排列的微柱群通道壓降和傳熱系數(shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)傳熱系數(shù)的變化取決于質(zhì)量流率，壓降也隨著質(zhì)量流率的增加而增加。作者將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Qu等[62]提出的沸騰壓降關(guān)聯(lián)式相比較，平均誤差為21.3%。與現(xiàn)有的沸騰傳熱系數(shù)關(guān)聯(lián)式[47,49,63-64]相比，也出現(xiàn)了較大的誤差，可能是實(shí)驗(yàn)中質(zhì)量流率和熱通量較低、關(guān)聯(lián)式適用條件有限以及采用流體工質(zhì)的不同導(dǎo)致。

表2 常重力或微重力下微柱群沸騰換熱關(guān)聯(lián)式及結(jié)論總結(jié)

續(xù)表2

郭保倉[52]在紫銅表面加工出直徑和高度均為500μm 的微圓柱，組成叉排微柱群，并對(duì)通道內(nèi)傳熱特性進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)剛開始在過冷度較高時(shí)，過冷沸騰時(shí)間越長(zhǎng)，生成的氣泡越?。伙柡头序v時(shí)氣液分離，氣泡與壁面分離加快；而膜態(tài)沸騰時(shí)流速和熱通量變大，氣膜的形成是導(dǎo)致沸騰傳熱惡化的重要原因。李慧君等[65]對(duì)微柱群通道內(nèi)飽和沸騰換熱特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著熱通量的增加，質(zhì)量流率較大時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大，這是由于受熱面處于高質(zhì)量流率時(shí)可被液體及時(shí)潤(rùn)濕形成液膜，避免了局部蒸干現(xiàn)象。

Liao 等[66]發(fā)現(xiàn)隨著質(zhì)量流率的增加，微柱群核沸騰表面熱流量也隨之增加。當(dāng)熱通量達(dá)到4.5W/cm2時(shí)，流體波動(dòng)頻率和沸騰頻率均提高，這是因?yàn)殡S著熱流量增加，氣泡與壁面之間能夠迅速分離，液體能及時(shí)補(bǔ)充到受熱表面。

有學(xué)者對(duì)微柱群的翅片特性進(jìn)行了研究。Xue等[67]以FC-72為工質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氣泡在翅片間隙內(nèi)的生長(zhǎng)和移動(dòng)會(huì)引起微對(duì)流，形成較薄的液體蒸發(fā)層，使得微翅片周圍成為有效傳熱區(qū)。Deng等[68]通過激光微銑削方法在微通道底部制作了微柱群，簡(jiǎn)稱SM-MPF表面（圖3），并與光滑表面進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，用去離子水和乙醇作介質(zhì)，沸騰換熱系數(shù)分別提高了10%～105%和90%～175%。這是由于SM-MPF表面提供了穩(wěn)定的氣泡成核點(diǎn)，氣泡在微柱群表面可以不間斷地生成和離開，同時(shí)微翅片間毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)周圍液體再潤(rùn)濕，即使熱流量和蒸汽質(zhì)量流率較高時(shí)也能保持較大的換熱系數(shù)。此外，與光滑表面相比，SM-MPF表面沸騰時(shí)兩相流更加穩(wěn)定，局部壁溫波動(dòng)幅度小。

Zhang 等[54]研究發(fā)現(xiàn)微翅片間隙可以產(chǎn)生毛細(xì)力來驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)，有利于液體及時(shí)補(bǔ)充。間隙越小，毛細(xì)泵送效果越強(qiáng)，這與Deng 等[68]的解釋一致。相比于光滑表面，微柱群表現(xiàn)出更高的臨界熱通量和更低的壁溫，整個(gè)核態(tài)沸騰區(qū)的壁溫均低于85℃，可應(yīng)用于電子器件散熱。Cao 等[69]發(fā)現(xiàn)微柱群在進(jìn)行過冷池沸騰時(shí)最大過熱度明顯降低。與光滑表面相比，臨界熱通量得到顯著改善?？紤]了芯吸作用和過冷性對(duì)沸騰的影響，作者對(duì)Rahman等[70]提出的臨界熱通量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正，圖4表明修正后的模型對(duì)臨界熱通量的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值偏差在5%以內(nèi)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度得到了提高。

3.2 微重力沸騰換熱

微重力下沸騰換熱主要應(yīng)用在航天器電子器件的散熱。航天器在太空飛行時(shí)處于失重狀態(tài)或微重力狀態(tài)，此時(shí)浮力作用被抑制，不再對(duì)傳熱過程起主導(dǎo)作用。與此同時(shí)，其他作用機(jī)理則表現(xiàn)出來，如表面張力、微對(duì)流、黏性耗散等，通過實(shí)驗(yàn)探究微重力下氣泡的動(dòng)力學(xué)意義重大。氣泡的動(dòng)力學(xué)行為包括氣泡的成長(zhǎng)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，氣泡的成長(zhǎng)和離開直徑直接決定了穩(wěn)態(tài)核沸騰換熱能否長(zhǎng)期有效維持[71-72]。由于微重力的實(shí)驗(yàn)條件較難滿足以及微柱狀表面加工存在一定難度，目前國內(nèi)對(duì)此研究較少。魏進(jìn)家等[73-76]對(duì)微柱群表面進(jìn)行了大量的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究，揭示了微重力下微柱群沸騰特性，同時(shí)針對(duì)臨界熱通量和氣泡脫離直徑的預(yù)測(cè)提出了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式。

魏進(jìn)家等[75]在單晶硅表面制造了一種微柱群結(jié)構(gòu)，并且與光滑表面進(jìn)行對(duì)比，在微重力下進(jìn)行了過冷沸騰實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為3.6s。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，光滑表面的氣泡由于向下動(dòng)態(tài)阻力較大，不易從受熱面脫離，這也影響了周圍液體輸運(yùn)到受熱面，壁面溫度逐漸升高。而微柱群結(jié)構(gòu)表面的氣泡尺寸小于光滑表面，微針翅之間存在毛細(xì)作用力，將周圍液體輸運(yùn)到合并后的氣泡下，使得換熱能夠高效進(jìn)行。此后，魏進(jìn)家等[54]繼續(xù)研究了微柱群表面FC-72的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)。對(duì)于光滑表面，大氣泡占據(jù)受熱面，導(dǎo)致傳熱效果變差。而對(duì)于微柱群結(jié)構(gòu)的表面，氣泡覆蓋在針翅表面，針翅之間的毛細(xì)作用力將周圍液體輸運(yùn)到受熱面，即使在高熱通量時(shí)微柱群也能保持優(yōu)異的傳熱性能。

圖3 SM-MPF表面［68］

圖4 CHF預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比［70］

由于傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)式在微重力下不適用，在一定程度上限制了沸騰換熱在空間的應(yīng)用。為解決此問題，Zhang 等[77]研究了不同熱通量下氣泡離開直徑的預(yù)測(cè)模型，發(fā)現(xiàn)在低熱通量下，傳統(tǒng)模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)微柱群表面氣泡離開半徑，但在高熱通量下，由于微柱群結(jié)構(gòu)的特殊性，氣泡在微針翅水平和垂直方向上的融合變得更為劇烈，與壁面的分離也被推遲，傳統(tǒng)的力平衡模型預(yù)測(cè)效果不佳。為此作者提出了一種新的氣泡合并模型，結(jié)果表明在高熱通量下氣泡離開半徑與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較小。Zhou等[59]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于光滑表面，氣泡力平衡模型是基于單個(gè)氣泡進(jìn)行研究的，而對(duì)于微重力下的微柱群表面，該模型忽略了氣泡間劇烈的相互作用。大氣泡受小氣泡的影響生長(zhǎng)到一定程度才能離開受熱面，如圖5所示。在新模型中將這種因素考慮在內(nèi)，能夠較好地預(yù)測(cè)中高熱通量下的氣泡離開直徑。

微重力下尾流效應(yīng)對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為的影響也是研究的一方面。Qi等[78]研究發(fā)現(xiàn)，尾流場(chǎng)中存在負(fù)壓，液體易被吸入到微針翅結(jié)構(gòu)中，流體的流動(dòng)性得到增強(qiáng)，加速了氣泡的融合過程，有助于減小氣泡離開直徑。將微柱群結(jié)構(gòu)與其沸騰時(shí)的尾流效應(yīng)相結(jié)合有利于氣泡的生成和離開，改善微柱群表面的傳熱效果。

圖5 主氣泡離開前小氣泡行為［59］

相比于光滑表面，常重力下微柱群結(jié)構(gòu)增加了有效換熱面積和汽化核心數(shù)量，臨界熱通量大大提高。同時(shí)高熱通量下氣泡與針翅之間易形成氣液界面，在毛細(xì)作用力下，周圍過冷液體通過針翅之間的通道及時(shí)到達(dá)受熱面，進(jìn)行液體蒸發(fā)換熱。微重力下微柱群沸騰換熱機(jī)理較為復(fù)雜，換熱面積相差不大時(shí)，微針翅之間的間距越小，所能提供的毛細(xì)力越大，而此時(shí)的臨界熱通量約為光滑表面的3倍[76]。特別是在中高熱通量下，與光滑表面一樣，微柱群受熱面剛開始被合并形成的大氣泡所覆蓋，如圖6所示。過冷液體在毛細(xì)作用力的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過針翅之間規(guī)則的微通道到達(dá)加熱壁面以維持蒸發(fā)換熱進(jìn)行[76]。當(dāng)氣泡長(zhǎng)大到一定程度仍能脫離受熱面，這是由于微柱群結(jié)構(gòu)能夠輸送周圍液體直到氣泡生長(zhǎng)到可以脫離加熱表面的尺寸，而光滑的表面卻不具有這種特性。

圖6 微柱群沸騰現(xiàn)象機(jī)理［76］

4 結(jié)語與展望

微柱群在許多領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，通過對(duì)微柱群換熱的研究，提高了微柱群的傳熱性能。研究包括設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的微柱群，采用納米流體來增強(qiáng)傳熱等。在常重力和微重力下的沸騰換熱實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)觀察到的沸騰現(xiàn)象，探究了沸騰換熱的機(jī)理。綜上所述，可以得出以下結(jié)論。

（1）目前關(guān)于微柱群結(jié)構(gòu)的研究很多，主要集中在截面為圓形、橢圓形、方形或三角形。針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)研究者提出了相應(yīng)的關(guān)聯(lián)式，但這些關(guān)聯(lián)式應(yīng)用到同類結(jié)構(gòu)時(shí)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值有一定誤差，進(jìn)一步完善這些關(guān)聯(lián)式在微柱群的應(yīng)用具有重要意義。

（2）納米流體應(yīng)用于冷卻電子設(shè)備仍處于研究階段。增加體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致壓降增加、黏度增加，傳熱強(qiáng)化在一定程度上被抑制，如何最大程度降低高體積分?jǐn)?shù)導(dǎo)致的負(fù)面影響是未來需要解決的問題。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)納米粒子的動(dòng)態(tài)變化仍存在難度，傳熱機(jī)理仍需進(jìn)行研究。有些納米粒子表面活性高，在微柱群通道內(nèi)易與其他粒子形成團(tuán)聚現(xiàn)象，影響納米流體流動(dòng)傳熱。尋找到上述問題的解決方法可為納米流體應(yīng)用于微柱群提供有效的研究手段。

（3）微柱群沸騰換熱可以顯著提高傳熱系數(shù)，改善臨界熱通量，并建立了相應(yīng)的沸騰熱流量預(yù)測(cè)關(guān)聯(lián)式。取得一定進(jìn)展的同時(shí)也遇到許多問題，如關(guān)聯(lián)式預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的提高、沸騰時(shí)微柱群表面氣泡行為研究、尋找到避免腐蝕或堵塞微柱群通道的制冷劑、蝕刻法微柱群結(jié)構(gòu)保存時(shí)間有限等。

（4）針對(duì)微重力下微柱群沸騰換熱，研究人員主要通過實(shí)驗(yàn)觀察并分析了氣泡動(dòng)力學(xué)行為，包括氣泡的生成、融合、離開等，特別是針對(duì)不同加熱功率下氣泡離開直徑的預(yù)測(cè)取得了進(jìn)展。然而由于空間實(shí)驗(yàn)條件的缺乏，以及空間實(shí)驗(yàn)在設(shè)備尺寸、能耗、微重力持續(xù)時(shí)間等方面的限制，進(jìn)行微重力下的沸騰實(shí)驗(yàn)十分有限，對(duì)加熱面附近微觀行為的觀測(cè)比較困難。此外，沸騰現(xiàn)象本身比較復(fù)雜。建立合適的模型對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)將是今后微柱群沸騰換熱研究的重點(diǎn)之一。

符號(hào)說明

A，APF——微柱群傳熱面積，m2

Achip——芯片的表面積，m2

Af——單個(gè)微針翅的表面積，m2

As——光滑表面?zhèn)鳠崦娣e，m2

Bf——微柱群高度，m

Bo——沸騰數(shù)

C——微柱群周長(zhǎng)，m

Ca——毛細(xì)數(shù)（capillary number）

CHF——臨界熱流密度，W/cm2

Ch——微柱群通道數(shù)

cpl——液體的定壓比熱容，J/(kg·k)

Df——微針翅直徑，m

Dh——當(dāng)量直徑，m

dh——通道內(nèi)間隙，m

dp——?dú)馀蓦x開直徑，m

Fd,sub，F(xiàn)d,sat——微針翅幾何形狀因子

g——常重力下重力加速度，m/s2

H——微柱群通道高度，m

hcb——對(duì)流傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)

hfg、hlv——液體的汽化潛熱，kJ/kg

hnb——核沸騰傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)

htp——兩相傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)

Ja——Jacob數(shù)

Ja?——基于液體過冷度的Jacob數(shù)

L——微柱群通道長(zhǎng)度，m

LC，Lh——分別為毛細(xì)長(zhǎng)度和加熱面長(zhǎng)度，mm

N——微柱群總數(shù)

Nu——Nusselt數(shù)

Pf——通道內(nèi)濕潤(rùn)面積，m2

PH——微柱群通道內(nèi)加熱面積，m2

Ph——加熱周長(zhǎng)，mm

PR——微柱群通道內(nèi)實(shí)際壓力與臨界壓力之比

Prf——流體的普朗特?cái)?shù)

Prw——微柱群通道壁面普朗特?cái)?shù)

Qlosses——熱損失，W

qCHF—PF——微柱群表面的臨界熱流密度，W/cm2

qCHF—zuber-kutateladze——預(yù)測(cè)光滑表面的臨界熱流密度，W/cm2

Rel——純液體的雷諾數(shù)

Ref——兩相流雷諾數(shù)

rc——合并氣泡的半徑，mm

ri——?dú)馀莺喜⑶皢蝹€(gè)氣泡半徑，mm

Sf——微柱群表面數(shù)

Sf——相鄰兩個(gè)針翅之間的間距，m

SL——微柱群縱向間距，m

St——微柱群橫向間距，m

T——溫度，K

We——韋伯?dāng)?shù)

Wf——微柱群寬度，m

Xtt——馬蒂內(nèi)利數(shù)

x——工質(zhì)的干度

xe——出口質(zhì)量含氣率

ζ——調(diào)整參數(shù)

θ——接觸角

μ——?jiǎng)恿︷ざ龋琍a·s

ρl、ρv——分別為液相和氣相的密度

τ——?dú)馀莺喜⒌奶卣鲿r(shí)間，s

φl——兩相摩擦系數(shù)

φ——孔隙率

ω——表面強(qiáng)化因子

下角標(biāo)

l——流體為液態(tài)

1g——常重力下的重力加速度，m/s2

sat——飽和狀態(tài)

sp——單相流

sub——過冷狀態(tài)

tp——兩相流

v——流體為氣態(tài)

w——壁面

μg——微重力下的重力加速度，m/s2