魏进家，张永海

（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）



柱状微结构表面强化沸腾换热研究综述

魏进家，张永海

（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049）

摘要：沸腾换热是一种非常高效的热传递方式，不论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用。强化表面结构是一种有效的无源强化换热技术，而强制对流和射流冲击作为高效的直接冷却方式，在有源强化换热技术中被认为是最有发展前景的冷却方式。结合无源强化换热技术和有源强化换热技术同时进行强化沸腾换热是进一步提高换热能力的有效途径。以电子器件高效冷却技术为背景，对自主开发的微米级柱状微结构表面强化沸腾换热研究现状进行了综述，包括常重力条件下池沸腾、流动沸腾、射流冲击、流动-喷射复合式沸腾换热以及微重力条件下的池沸腾换热。同时，与其他强化沸腾换热表面结构进行了对比，总结并分析了各种强化表面结构及换热方式的优缺点，为下一步的学术研究和工业应用提供相应的参考。

关键词：柱状微结构；池沸腾；流动沸腾；射流冲击；微重力；传热；相变；两相流

2015-07-10收到初稿，2015-09-08收到修改稿。

联系人及第一作者：魏进家（1971—），男，博士研究生，教授。

Received date: 2015-07-10.

引 言

随着MEMS技术的发展，电子器件集成化和高频化程度不断提高，电子器件特征尺寸不断减小，导致芯片的热通量不断提高。耗能和散热将成为整个信息产业甚至全球经济性命攸关的大问题。电子元器件可靠性的改善、功率容量的增加、集成度的提高以及结构的微小型化等都直接取决于芯片热控制问题的解决。热致失效已经成为微电子器件失效的主要形式，传统风冷方式的体积、噪声和散热性能已经不能满足高热通量散热的要求，直接冷却技术由于冷却介质和散热面直接接触，能够减小边界层厚度和传热热阻，从而具有高效的强化换热能力。

沸腾换热过程因相变潜热的释放而具有极大的热传递能力，并具有传热系数高和传热温差低的特点，是一种非常高效的热传递方式，不论在地面常重力环境还是空间微重力环境下都有十分重要和广泛的应用，如食品制造、机械制造、化学工程、热能工程、核能建设、微电子器件散热和航空航天领域等。图1给出了几种典型冷却方式传热系数的对比，可以看出沸腾换热的传热系数要远大于其他冷却方式，因此沸腾换热是有望实现高热通量换热的有效途径。

图1 几种典型冷却方式传热系数的对比[1]Fig.1 Comparison of heat transfer coefficient of several typical cooling methods[1]

强化表面结构是一种无源强化换热技术，在沸腾换热过程中具有显著的强化作用，可以大大提高临界热通量（CHF），降低壁面过热度。自1930年以来，研究者们开始对强化沸腾换热技术展开了大量的研究，并发展了各种类型的强化表面结构。强化沸腾传热表面的发展经历了一个由常规大尺度到微纳米尺度渐进的过程。1989年，在美国电气和电子工程师协会盐湖城会议上，首次提出了MEMS （micro-electro-mechanical-systems）概念，这是指特征尺度在1 mm ～ 1 μm之间集电子、机械于一身的器件。在这样的器件中有气体或者液体作为工作介质，其内部的流动与换热就是一般的微尺度流动与换热。微纳尺度强化沸腾表面可以在有限的立体空间内极大增加换热面积，提供更多的汽化核心，极大提高沸腾换热的效率，因此必定是未来强化沸腾换热技术的主导方向。而强制对流和射流冲击作为高效的直接冷却方式，被认为是有源强化换热技术中最有发展前景的冷却方式。结合无源强化换热技术和有源强化换热技术同时进行强化沸腾换热是进一步提高换热能力的有效途径。

本文对自主开发的微米级柱状微结构表面强化沸腾换热研究现状进行了综述，包括常重力条件下池沸腾、流动沸腾、射流冲击、流动-喷射复合式沸腾换热以及微重力条件下的池沸腾换热。同时，与其他强化沸腾换热表面结构进行了对比，总结并分析了各种强化表面结构的优缺点，为下一步的学术研究和工业应用提供相应的参考。

1 池沸腾换热

1.1 柱状微结构

从20世纪70年代开始，以美国和日本两国为主的研究者[2-5]通过在沸腾表面上加工凹坑和喷涂多孔介质等方法来提高电子器件液冷技术的沸腾换热性能。进入20世纪90年代后期，美国得克萨斯大学的You教授课题组[6]开发的多孔介质表面能显著促进沸腾换热性能而引人瞩目，并申请了美国专利。但他们的强化换热面与其他研究者一样，未能避免高热通量时沸腾性能严重恶化的问题，导致临界热通量时的壁温高于电子芯片正常工作的临界上限温度85℃。为了解决上述问题，近年来，本课题组魏进家教授和日本九州大学的Honda教授[7]共同开发设计出一种新型柱状微结构表面，即采用干腐蚀技术在芯片表面加工出不同尺寸的微米级柱状微结构。为了研究不同表面微结构对换热的影响，制作了多组正规排列（aligned）柱状微结构表面（宽×高：10 μm×60 μm, 20 μm×60 μm, 30 μm×60 μm，50 μm×60 μm, 30 μm×120 μm, 50 μm×120 μm, 30 μm×200 μm, 50 μm×200 μm, 50 μm×270 μm），分别称为A-PF10-60, A-PF20-60, A-PF30-60, A-PF50-60, A-PF30-120, A-PF50-120, A-PF30-200, A-PF50-200, A-PF50-270，电子显微镜下的柱状微结构如图2所示。

图2 电子显微镜下的柱状微结构Fig.2 SEM images of micro-pin-fins

1.2 柱状微结构池沸腾换热性能

由于制作方法的不同，可以形成多种形式的强化表面结构，如喷涂表面[8]、复合法处理表面[9]、微机械加工表面[10]、化学沉积表面[11]、粗糙表面[12]、烧结表面[13]等，如图3所示。图4给出了柱状微结构[14]和其他强化表面结构[8-13]的池沸腾换热曲线，实验工质均为常压下饱和的FC-72。

在文献[8-13]中，各位学者都研究了不同微结构尺寸对沸腾换热效果的影响，图4中给出的沸腾曲线均为各个文献中换热效果最好的工况。其中钻石喷涂表面（diamond paint）[8]的钻石粒子粒径为8～12 μm，涂层厚度为40～45 μm；石墨多孔表面（porous graphite）[9]的孔隙直径大部分小于1 μm，但是部分区域存在较大的孔隙，整个表面厚度为3 mm；微孔穴（micro-cavity）[10]的孔直径为200 μm，深度为110 μm，间距为100 μm；碳纳米管（carbon nano tube）[11]的密度为10 CNTs·μm-2; 粗糙表面（roughness surface）[12]的平均粗糙度为4.25～5.17 μm；双重多孔烧结涂层（bi-porous sintered copper coatings）[13]的双重粒径分别为100和675 μm，涂层厚度为1 mm。

图3 不同微结构表面Fig. 3 Micro-structured surfaces

图4 不同微结构表面沸腾曲线的比较Fig.4 Comparison of boiling curves of different micro-structured surfaces

由图4可知柱状微结构表面有以下几个特点：

第一，和光滑表面相比，柱状微结构能极大强化沸腾换热性能，核态沸腾的传热系数和CHF均有非常显著的提高，并且到达CHF时的临界壁面温度远低于电子芯片正常工作的上限温度85℃。一方面，是由于柱状微结构表面换热面积的增加，另一方面，在高热通量下气泡与微柱之间存在液体微层从而形成汽液界面，在微柱之间产生毛细作用力，由此可诱导新鲜的过冷液体通过微柱之间形成的相互连通的规则微通道不断到达加热壁面上方从而进行液体蒸发换热。

第二，从沸腾开始一直到临界热通量状态，柱状微结构加热面的壁温几乎不随热通量的增加而提高，尤其是在高热通量下，沸腾曲线非常陡直，壁面温度较稳定，可以达到较高的CHF。由图4可以看出，和其他6种强化结构表面相比，除了双重多孔烧结涂层[13]以外，柱状微结构A-PF50-270的CHF最高，很大程度上解决了高热通量时沸腾性能严重恶化的问题，弥补了其他多数研究者开发的表面微结构的不足。

第三，柱状微结构表面尚存在沸腾开始温度偏高以及温度过升量较大的问题，不利于电子器件的启动。由图4可以看出，改变加热表面的表面粗糙度[12]在一定程度上可以强化换热，但相比于其他强化结构表面，其强化换热能力最差。而钻石喷涂表面[8]、石墨多孔表面[9]、微孔穴[10]和碳纳米管[11]可以在一定程度上降低沸腾起始过热度，尤其是石墨多孔表面基本上解决了沸腾起始过热度过高及温度跳跃的问题。原因是石墨多孔表面内部结构为多尺度结构，所形成的孔隙尺度从纳米级到微米级。当孔隙尺度小于一定值时（文献[9]中认为是小于12.8 μm），其孔隙内部就不能被高表面张力的FC-72所润湿，所以在小尺寸孔隙内存有大量的空气，可以使沸腾顺利启动。但是，这几种强化结构表面的CHF却没有柱状微结构的高。从图4可以看出，双重多孔烧结涂层[13]的换热性能要明显好于柱状微结构及其他强化表面结构。与石墨多孔表面[9]相比，双重多孔烧结涂层表面[13]的粒子微团自身形成了从纳米级到微米级的孔隙，可以使沸腾顺利启动，然后各微团之间又形成了几百微米的孔隙，这一结构有利于气泡的发展和脱离以及蒸发液体的补充，所以能够达到较高的CHF。

综上所述，目前高性能沸腾强化表面结构至少具备以下两个特点：（1）强化表面结构应为纳米到微米级的跨尺度结构，此结构有利于解决沸腾起始过热度过高和温度跳跃问题，即有利于气泡的产生，具体的尺度与液体工质的物理性质有关；（2）在跨尺度强化结构表面的基础上，应该进一步使微结构的形成有利于气泡的发展和脱离，即减小气泡的脱离阻力，并且有利于蒸发液体的补充。

1.3 柱状微结构池沸腾换热影响因素的研究

本课题组魏进家和Honda等[7,14-18]针对柱状微结构表面进行了系统的研究。包括过冷度、除气与否、芯片朝向及柱状微结构尺寸对换热的影响。结果发现，对于柱状微结构池沸腾而言，随着过冷度的增加，仅自然对流段向高热通量偏转，而核态沸腾段除了CHF有所提高外，几乎没有任何影响。另外发现，溶解气对自然对流段影响较大，降低了沸腾起始温度，而在高热通量区，溶解气的影响几乎消失。Rainey等[19]同样对多孔介质加热表面和柱状微结构表面进行了FC-72池沸腾实验研究，也得出了同样的结论。此外，除了A-PF50-60以外，所有柱状微结构芯片的沸腾起始温度和芯片的放置方向无关，但垂直放置时，其临界热通量要比水平放置时低20%。微柱的尺寸对换热也有较大的影响，在微柱宽度一定的情况下，微柱高度越大，CHF越高；微柱高度一定的情况下，微柱宽度越大，CHF越高。柱状微结构A-PF50-270在DTsub= 45 K的实验工况下，得到最大的CHF为84.5 W·cm-2，是光滑表面的4.2倍。

2 微重力下池沸腾换热

2.1 微重力下柱状微结构池沸腾换热性能

在微重力条件下，浮力的作用大大减弱，沸腾换热过程被显著影响。目前，国内外关于微重力条件下进行强化池沸腾换热实验研究的文献报道很少。本课题组[20-23]利用国家微重力实验室落塔实验平台，对光滑表面和正规排列柱状微结构A-PF30-60和A-PF50-120在过冷FC-72中进行了短时微重力池沸腾实验研究，结果表明与光滑表面相比，柱状微结构在微重力条件下强化沸腾换热的效果非常显著，如图5所示。

图5 常重力和微重力下光滑表面和柱状微结构表面与其他平板加热器沸腾曲线的对比Fig.5 Comparisons of pool boiling curves of FC-72 on chip S and micro-pin-fins of present results with other data reported in literatures

柱状微结构在微重力下的换热性能显著好于光滑表面。由于本课题组实验过程中的液体过冷度比较高且液体工质没有进行除气处理，所以光滑表面的沸腾起始要比其他学者研究的结果早得多。随着过冷度的增加，无论在常重力下还是微重力下换热都强化。此外，光滑表面在微重力下的沸腾换热实验结果与Zhao等[24]、Raj等[25]和Di Marco等[26]的研究结果一致。沸腾曲线的斜率在高热通量区大大降低，表明在微重力下高热通量区的换热明显恶化。这一现象主要归因于在高热通量下产生的大气泡覆盖在光滑加热表面上，新鲜的过冷液体不能及时供应到加热表面以保持蒸发换热，而导致加热表面烧干引起了高壁面过热度，造成了换热恶化。

相比于常重力，在微重力条件下低热通量区传热系数升高，在中热通量区传热系数基本不变，而在高热通量区传热系数降低；中、高热通量条件下的气泡周期性行为可以使过冷液体周期性地对气泡进行冷却，这也是核态沸腾换热能够在微重力下中、高热通量区稳定进行的一个重要因素。由于实际换热面积的增加，柱状微结构A-PF50-120在不同重力水平下核态沸腾区的传热系数都要稍高于A-PF30-60。在换热面积相差不大的情况下，微柱间距p较小的柱状微结构能够提供更大的热毛细力，在高热通量下能够使充足的过冷液体到达加热表面以维持蒸发换热，因此能获得更高的CHF。而在常重力下微柱间距p较大的柱状微结构能获得更高的临界热通量。此外，常重力下柱状微结构的CHF约为光滑表面的2倍，而在微重力条件下约为光滑表面的3倍。

2.2 气泡动力学分析

气泡动力学是19世纪后期提出，并在最近几十年逐渐发展起来的一个学科，主要研究气泡在液体中长大和运动的规律。微重力条件下气泡的生长和脱离直接决定了稳态的核态池沸腾换热能否长期有效地维持。许多学者已经研究了气泡的生长速率和脱离半径，同时提出了许多著名的关联式和模型来预测不同应用背景下的核态池沸腾换热所产生气泡的脱离半径[27-33]。然而，由于沸腾现象本身的复杂性，至今仍没有一个统一的关联式或者模型能够准确预测沸腾换热过程中气泡的脱离半径。

在核态沸腾过程中，当热通量较小时，气泡主要以单个孤立小气泡存在加热壁面上，保持气泡在加热表面的力要大于使气泡脱离壁面的力，通常把保持力称作负向作用力（negative），脱离力称作正向作用力（positive）。随着热通量逐渐增加，气泡增长速度加快，当在某一时间点处正向作用力的增长值大于负向作用力时，表示气泡达到分离条件。Karri[34]在1988年研究了重力水平对核态池沸腾的影响，并提出预测气泡脱离半径的力学平衡模型。在此模型中考虑了5种作用力，包括浮力Fb、表面张力Fs、黏性阻力Fd、惯性力Fi和压差力Fp。本课题组[23]对微重力实验中的气泡动力学行为进行了理论分析，研究了加热表面气泡生长受到的各种动态和静态作用力，如图6所示，并考察了各种作用力对气泡增长的影响和作用。然而对于过冷条件下的池沸腾实验，加热壁面附近液体的温度要比远离壁面的液体温度高得多，因此在气泡周围的液体会有一个温度梯度。一般来说，表面张力随着温度的增加而减小。温度梯度的存在会使气泡周围产生热毛细对流，也称为Marangoni对流，由于温度梯度的存在而产生的Marangoni作用力会将气泡压向液体温度较高的一侧，结果导致气泡很难离开加热壁面。因此反向作用力Marangoni作用力FM在过冷沸腾实验中不应该被忽略掉。因此，本课题组提出的力学平衡模型是在Karri[34]力学平衡模型的基础上考虑了Marangoni作用力FM，所以力学平衡表达式如下

图6 气泡受力分析示意图Fig.6 Forces acting on a growing bubble

对于柱状微结构在微重力下的核态沸腾换热而言，如图7所示，Karri模型的预测结果不论在低还是高热通量下都不理想；考虑了Marangoni作用力FM的力平衡模型只能很好地预测其在低热通量下的气泡脱离半径；但不能预测中、高热通量区的气泡脱离半径。在中、高热通量区，强大的热毛细对流使大量的小气泡停留在柱状微结构加热表面上并不断和主气泡合并。因此大量的小气泡将主气泡与加热表面联系在一起并产生了一个方向向下的附加阻力作用在主气泡上，从而阻止主气泡脱离加热表面。因此要想准确预测微重力下中、高热通量区气泡脱离的半径，必须考虑气泡的合并作用。

在本课题组提出的气泡动力学混合模型中，由于气泡合并而导致气泡半径增大的部分是通过下列步骤计算而得到的。第一，单位时间单位加热面积上过热液体不断蒸发产生蒸汽，其中一部分促使气泡不断长大。第二，本研究采用的微结构微通道加热壁面在聚合大气泡底部不断有液体供应，并且进行蒸发产生的诸多小气泡不断被上面的聚合大气泡所吸收，发生剧烈的横向或纵向合并从而导致气泡脱离半径进一步增大。根据质量守恒定律，单位时间内气体的总蒸发量可以表示如下

式中，α为不会使气泡体积增大的气体蒸发量（包括发生冷凝又溶解到液体中的质量、因对流作用使得部分蒸气发生扩散而带走的质量和不凝性气体的质量）占总蒸发量的比例；b为常数；rv为FC-72气体密度；V为单个大气泡脱离前球体总体积；n 为大气泡的脱离频率。因此，气泡的脱离半径Rd的表达式如下

其中脱离频率可由实验数据得到，对于柱状微结构而言，在低热通量下只有少量的气泡合并，因此传统的力平衡模型可以很好地预测气泡的脱离半径，因此选择柱状微结构A-PF30-60在低热通量条件下的两个点作为已知条件，由力平衡模型计算而得到的气泡脱离半径可以求解式（3）中的未知数α和b，因此，最终的脱离半径Rd的表达式如下

本课题组提出的气泡动力学混合模型，能够较为准确地预测中、高热通量下的气泡脱离半径，并且与实验统计平均值吻合较好，理论值与实验值的相对误差较小，在30%以内，如图7所示。

图7 光滑表面和柱状微结构表面气泡脱离半径的理论预测值和实验值比较Fig.7 Comparison of experimental results with predictions by force balance model and bubble merged model in microgravity

2.3 微重力条件下柱状微结构强化换热机理

相比于光滑表面，柱状微结构在微重力下仍然表现出良好的换热性能，尤其是在中、高热通量条件下，主要原因是在微重力水平下柱状微结构产生的气泡能够连续不断地脱离加热表面。通过分析总结，机理如下。

第一，对于柱状微结构表面而言，在高热通量区，尽管加热壁面和光滑表面一样都被合并生成的蘑菇状大气泡所覆盖，如图8所示，但是在大气泡与微柱之间存在液体微层从而形成汽液界面，在微柱之间产生毛细作用力，由此可诱导新鲜的过冷液体通过微柱之间形成的相互连通的规则微通道不断到达加热壁面上方从而进行液体蒸发换热，以保障大气泡不断长大，直到其能够脱离加热表面。而随着热通量进一步增加，微柱之间产生的毛细作用力已无法克服微柱之间浸润液体的水力阻力，导致泵吸的新鲜液体受阻，从而使加热壁面蘑菇状大气泡底部微液层出现局部蒸干，并很快向整个壁面扩展，最后达到临界状态。

图8 柱状微结构高热通量下沸腾现象的机理Fig. 8 Bulk liquid supply and micro-convection caused by capillary force

第二，在微重力条件下浮力作用虽然大大削弱，但是仍有残余重力加速度。同时液体过冷会产生一个抑制气泡脱离的Marangoni作用力。通过气泡的受力分析可以看出，当气泡长大到一定程度时，仍然能够脱离加热表面。当然前提是有充足的新鲜液体供给以保证气泡能够长大到可以脱离加热表面的尺寸，柱状微结构的微结构通道正好能够保证这个条件，而光滑表面却不能保证。

第三，气泡在垂直方向的合并拖拽作用也是气泡脱离加热表面的一个重要原因，而其产生的原因是在微重力条件高热通量下，柱状微结构加热表面不断产生大气泡并且脱离加热表面，当大气泡脱离加热表面后由于浮力的减小导致其非常缓慢地上升，而此时加热表面会迅速形成另一个大气泡，在加热壁面上迅速生长和已脱离加热表面缓慢上升的两个大气泡最终会合并，并迅速形成一个更大气泡从而导致下面的气泡迅速脱离加热壁面，从而形成一个合并拖拽的过程。如图9所示，气泡的合并可以加快气泡的脱离和热量的带走，使过冷液体迅速到达加热表面，同时可以对加热表面上产生的气泡进行冷却，带走部分热量。

图9 柱状微结构高热通量下垂直方向上的气泡合并沸腾现象及机理示意图Fig.9 Boiling phenomenon and mechanism schematic diagram of large bubble coalescence in vertical direction

3 强制流动沸腾换热

由于不导电液体普遍具有较高的壁面润湿特性和较低的热导率，从而导致沸腾传热性能差且沸腾传热所需的壁面过热度较高。因此，采用主动式强化换热技术来降低沸腾起始温度、强化核态沸腾和提高临界热通量是有效的技术手段。其中，平行于加热面的横向流动沸腾换热和垂直于加热面的射流冲击换热都是高效的强化换热技术。

3.1 流动沸腾强化换热性能

本课题组[35-36]对光滑表面和正规排列的柱状微结构A-PF50-60、A-PF30-60、A-PF50-120和A-PF30-120进行了流动沸腾换热实验研究，研究了流速、过冷度及柱状微结构尺寸对换热的影响，并利用高速摄像机对换热面沸腾换热现象进行观测。图10显示了过冷度为35 K时的柱状微结构流动沸腾换热曲线。

研究发现，所有的柱状微结构表面相比于光滑表面都显示出较大的强化沸腾换热效果。在沸腾未开始之前，热量主要以单相对流换热进行，此时，热传递受过冷度的影响很大。过冷度越大，芯片的冷却效果越好。而当换热进行到沸腾换热时，单相对流和气泡状沸腾换热共同起作用。沸腾换热中，由于有相变的发生，利用汽化潜热换热可使换热量大幅度提高。气泡的生成和脱离对沸腾换热影响较大，气泡分离尺寸越大，脱离频率越高，换热量越大。过冷度增大，气泡分离尺寸减小，但脱离频率增大，两者的相互作用也使得换热效果产生差别。本实验中，增大过冷度，能明显提高换热效果，增加临界热通量值，减小芯片壁面过热度，提高芯片冷却效果。

图10 柱状微结构流动沸腾换热曲线Fig.10 Flow boiling curves of micro-pin-fins(DTsub=35 K)

在低热通量单相换热区域：流速越大，曲线的斜率越大。壁面过热度相同时，热通量随着流速的增大而增大，且增幅非常明显。在沸腾换热区域：流速越大，沸腾所需的壁面过热度越高，导致沸腾起始点滞后。在两相沸腾换热区域，当流速较低时，核态沸腾在热传递中起主导作用，当流速较高时，对流换热和沸腾换热同时起作用，热传递受流速的影响较大。A-PF30-120与A-PF50-120芯片在流速2 m·s-1，过冷度35 K时，最大CHF可达148 W·cm-2，且壁面温度低于芯片回路正常工作的临界上限温度85℃。

通过高速摄像机拍摄到的照片可知，汽泡在微柱状之间生成、长大并脱离。当芯片表面温度高于冷却液体的饱和温度时，汽泡在微柱的根部生成，在汽泡和加热面之间存在着一层液体微层，随着液体微层的蒸发，气泡在狭小有限的空间长大。长大后的气泡脱离芯片底部上升，在微柱状之间的顶部停留一段时间并进一步长大，气泡长大的过程中，在热毛细效应的作用下，柱状侧面的液体微层向上移动，形成微对流，增强了换热。气泡和侧面微层向上移动过程中，也受到柱状侧面的流动阻力。柱状侧面被激活后，有效换热面积增大，液体蒸发面积增大。随着热通量的增大，汽化核心数目也增加，越来越多的柱状侧面被激活，沸腾换热中有效的换热面积越来越多，使得芯片表面温度随着热通量的增大变化不大，沸腾换热曲线非常陡直。

3.2 射流冲击强化换热

3.2.1 单相换热区拟合关联式 研究者们通过大量的实验研究形成了多个针对受限浸没射流冲击换热Nusselt数拟合关联式[37-39]。如表1所列，可以看出针对不同条件下的射流冲击换热，其影响因素很多，包括喷嘴数目、喷嘴形状、喷射距离、Reynolds数、Prandtl数、过冷度、是否为受限流动、加热面特征及喷射入射角等。由于其影响因素众多，大部分研究者的关联式在拟合自己的实验时能够很好地预测换热行为，但是在描述其他实验时都存在不足之处，因此到目前为止仍然没有一个通用的关联式被大家所公认。

表1 射流冲击换热Nusselt数拟合关联式Table 1 Nusslet number correlations of jet impingement

本课题组[40]对柱状微结构表面浸没式射流冲击实验单相换热区的80组实验数据进行了拟合。实验中发现Reynolds数Re、相对喷射距离H/d、柱状微结构面积强化比A/As以及柱状微结构的高和间距之比h/p对换热的影响显著，其中A为柱状微结构的实际表面积，As为光滑表面的表面积。因此使用5个量纲1的参数，分别是Re、Pr、H/d、A/As以及h/p，对实验数据进行了多元回归线性分析，其拟合关系式如下

图11显示了柱状微结构表面射流冲击单相换热区拟合关系式和实验数据的符合程度，其中95%的实验数据处于±25%以内，实验值和拟合值的最大误差为30%。

图11 柱状微结构表面射流冲击单相换热区实验值与拟合值的对比Fig.11 Comparison between experimental and predicted Nusselt number of micro-pin-fins in single-phase region

3.2.2 柱状微结构射流冲击强化换热性能 射流冲击近年来得到了广泛的关注，因其能够高速冲击换热表面，在其表面形成很薄的速度和温度边界层，减小传热热阻，是一种高效传热的有效手段。本课题组[41-43]实验研究交错排列（staggered）柱状微结构表面S-PF50-60、S-PF30-60、S-PF50-120和S-PF30-120的射流冲击强化沸腾换热特性，包括喷射速度、微结构的排列方式、不同微结构、喷嘴数目及喷射距离对其换热性能的影响，同时对正规排列柱状微结构表面和光滑表面进行相应的实验研究作为对比。图12显示了过冷度为35 K时的交错排列柱微微结构射流冲击沸腾换热曲线。

通过实验研究发现了柱状微结构射流冲击沸腾换热特性可以归纳为以下几点。

第一，交错排列柱状微结构射流冲击传热系数和CHF都高于正规排列柱状微结构，相比于正规排列柱状微结构，S-PF50-60、S-PF30-60、S-PF50-120 和S-PF30-120的CHF分别平均提高了4%、10%、4%和9%。

第二，在Reynolds数及其他工况相同的情况下，不同喷嘴数目对换热的影响不同。当喷嘴数目n = 4时，所有换热面的壁面温度最低，临界热通量最高，传热系数最高，其次是n = 9，传热系数和CHF最低的是n = 1。在相对喷射距离H/d0= 1～3的范围内，所有换热面的传热系数和CHF在H/d0=1时最高。单相对流区和核态沸腾区的平均Nusselt数都随着Reynolds数的增加而线性增加。柱状微结构的平均Nusselt数要比光滑表面的平均Nusselt数大得多。

图12 柱状微结构射流冲击沸腾换热曲线Fig.12 Jet impingement boiling curves of micro-pin-fins(DTsub=35 K)

第三，柱状微结构在射流冲击强化沸腾条件下最大临界热通量qmax随着过冷度和喷射速度的增加而增加。此处的最大临界热通量是指壁面温度不低于85℃时所能达到的最大热通量。在相对喷射距离H/d0= 1～3范围内，随着H/d0的增加而减小。

3.3 流动-喷射复合式沸腾换热

本课题组[44-45]对光滑表面和正规排列的柱状微结构A-PF50-60、A-PF30-60、A-PF50-120和A-PF30-120换热面进行了流动-喷射复合式强化沸腾换热研究。同时，研究了过冷度、横流速度、喷射速度及柱状微结构尺寸对换热的影响。相比于光滑表面，在相同工况下柱状微结构的CHF更高，且在沸腾区域壁面过热度低，其换热性能与工作稳定性都优于光滑表面，显示出较好的强化沸腾换热性能。A-PF30s系列换热面相对于A-PF50s系列换热面而言，具有较大的h/p和表面积强化比，所以CHF也更高，如图13所示。

此外，柱状微结构表面流动-喷射复合式沸腾换热特性可以归纳为以下几点。

第一，低热通量区域，换热以单相强制对流换热为主，高热通量区域，单相强制对流和核态沸腾换热共同作用，相变换热可以大幅度提高换热量，沸腾曲线斜率明显变大。

第二，过冷度对所有表面结构的换热影响规律是一致的。过冷度增大，气泡尺寸减小，相互之间碰撞聚集概率也减小，气膜难以成形，允许单相对流换热的存在，从而保证冷流体到达换热表面进行换热，同时过冷流体在达到饱和温度之前可以吸收更多的热量，整个换热曲线向左移动。增大过冷度，无论是单相对流区还是核态沸腾区，都能明显增强换热效果，减小芯片壁面过热度，提高CHF值。

图13 柱状微结构流动-喷射复合式强化沸腾换热曲线Fig.13 Flow-jet combined boiling curves of micro-pin-fins(DTsub=35 K)

第三，流速对沸腾换热的影响是双方面的。增大流速(横流速度和喷射速度)一方面可以减小边界层厚度，并且将沸腾时产生的气泡迅速带离表面，导致沸腾起始点滞后，但另一方面却抑制了核态沸腾，使得沸腾曲线的斜率降低，使得纯流动沸腾在高热通量区域内的换热性能降低。射流冲击冷却在一定程度上弥补了不足，强化了单相强制对流换热比例，提高高热通量下的CHF值。高速射流冲击尤其是低横流条件下的射流冲击可以在较低壁面过热度下获得较高的热通量值，随着横流速度的增加，射流冲击的强化作用逐渐减弱。在相同流体质量流量条件下，低横流速度高射流冲击速度组合产生的强化换热效果要高于高横流速度低射流速度组合。

第四，柱状微结构表面换热的强化是由于表面积强化比增大引起的，微对流运动和液体微层的蒸发是增加换热面积的主要因素，微对流运动是由于毛细泵吸效应引起的，毛细力和流动阻力间的相互关系共同决定了柱状结构的合理尺寸，而h/p，流速vc或vj则成为影响微对流换热的重要参数。当h/p值较小或速度较大时，换热表面更容易受到流动的影响，阻止了核态沸腾的发生。

3.4 几种强化沸腾换热方式的比较

到目前为止，本课题组对光滑表面和柱状微结构表面进行了池沸腾、流动沸腾、流动-喷射复合式沸腾及射流冲击强化沸腾换热。图14给出了柱状微结构表面A-PF30-120在不同沸腾方式下的沸腾换热曲线的比较，过冷度为ΔTsub= 25 K，同时和Andrew等[46]及Rainey等[47]的实验结果进行了比较。柱状微结构在流动沸腾和射流冲击状态下的换热性能要明显好于Andrew等[46]的光滑表面及Rainey 等[47]的光滑表面及多孔结构表面。因为相比于光滑表面和多孔结构表面，柱状微结构不仅可以在高热通量下产生大量的气泡，而且由于其规则的排列结构可以使气泡及时被高速的横流或者射流带走，因此可以得到高传热系数和CHF。

从本课题组所有的实验结果可以得出：

第一，相比于池沸腾，流动沸腾、射流冲击和流动-喷射复合式沸腾换热均可以显著提高柱状微结构的换热性能，降低壁面过热度，提高CHF。

第二，在3种强制流动沸腾换热方式中，CHF大体上按照流动-喷射复合式沸腾换热、射流冲击、流动沸腾的顺序依次减小，传热系数大体上按照流动沸腾、流动-喷射复合式沸腾换热、射流冲击的顺序依次减小。流动沸腾在高热通量下的换热性能恶化，不能达到特别高的CHF，而射流冲击则可以提高CHF，但是由于其局部强化换热的特点，导致壁面温度整体偏高。因此流动-喷射复合式沸腾换热是最理想的换热方式。此外，流动沸腾换热可以减小池沸腾中因提高过冷度而带来的制冷单元成本的增加，流速和过冷度的增加都可以明显降低壁面过热度，实现较好的强化换热效果，而射流冲击冷却对单相对流段和核态沸腾段都有一定的强化作用，高速冲击可以有效破坏气膜，保证换热的进行，进一步提高柱状微结构表面在高热通量下的换热性能，再次提高临界热通量。本课题组所研究的结果中，当横流速度vc=0.5 m·s-1，射流速度vj=2 m·s-1时，强化效果最大。实验条件下所能达到的最大允许热通量值为167 W·cm-2，且达到临界时的壁面温度远小于85℃。

4 结 论

（1）对常重力池沸腾而言，柱状微结构（边长为10～50 mm，高度为60～270 mm）具有沸腾曲线陡直、临界热通量高的特点。柱状微结构PF50-270在DTsub= 45 K的实验工况下，得到了最大的CHF 为84.5 W·cm-2，是光滑表面的4.2倍。但是，尚存在沸腾开始温度偏高以及温度过升量较大的问题，而在柱状微结构的基础上发展跨尺度微结构表面可以有效解决这一问题。

（2）对微重力池沸腾而言，柱状微结构仍然具有沸腾曲线陡直、临界热通量高的特点，其CHF约为常重力的2/3，约为微重力下光滑表面的3倍，该研究目前处于国际领先地位。此外，发展了气泡动力学混合模型，能够较为准确地预测气泡的脱离半径。

（3）流动沸腾、射流冲击和流动-喷射复合式沸腾换热均能显著提高柱状微结构的换热性能，包括传热系数和CHF。其中流动-喷射复合式沸腾换热的换热效果最为明显，实验中所能达到的最大临界热通量为167 W·cm-2，且达到临界时的壁面温度远小于电子器件正常工作温度的上限85℃。

（4）柱状微结构表面换热性能的提高，一方面是由于表面积强化比增大引起的，另一方面，微柱间的微对流运动和液体微层的蒸发也是换热强化的主要因素，微对流运动是由于毛细泵吸效应引起的，毛细力和流动阻力间的相互关系共同决定了柱状微结构的合理尺寸。

符 号 说 明

As——光滑表面面积，cm2

CHF ——临界热通量

d ——喷嘴直径，m

d0——等效喷嘴直径，m

Fb——浮力，N

Fd——黏性阻力，N

Fi——惯性力，N

FM——Marangoni力，N

Fp——压差力，N

Fs——表面张力，N

1g ——常重力下重力加速度

mg ——微重力下重力加速度

H ——喷射距离，m

h ——柱状微结构的柱高，mm

m ——蒸气质量，kg

Nu ——Nusselt数

n ——喷嘴数目；气泡脱离频率，s-1

Pr ——Prandtl数

p ——柱状微结构的柱间距，mm

q ——热通量，W·cm-2

qmax——最大临界热通量，W·cm-2

R ——气泡半径，m

Rd——气泡脱离半径，m

Re ——Reynolds数

s ——喷嘴间距，m

T ——温度，℃

DTsat——壁面过热度(DTsat=Tw-Tsat)，K

DTsub——壁面过冷度(DTsub=Tsat-Tbulk)，K

V ——气泡体积，m3

v ——速度，m·s-1

q ——接触角，(°)

ρ ——密度，kg·m-3

下角标

bulk ——流体

c ——横流

d ——脱离

j ——喷射

sat ——饱和状态

sub ——过冷状态

v ——气体

w ——壁面

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Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (51225601), and the Scientific Research Program for New Lecturer of Xi’an Jiaotong University (DW010728K000000B).

Review of enhanced boiling heat transfer over micro-pin-finned surfaces

WEI Jinjia, ZHANG Yonghai
(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China)

Abstract:Boiling heat transfer has significant application under normal gravity and under microgravity in space due to its high efficiency in heat transfer with phase change. Using treated surfaces is an alternative passive technique for enhancing boiling heat transfer. Forced convection and jet impingement, which are considered as the most promising cooling method, are active techniques. Combination of these passive and active techniques is an effective way to improve the heat transfer capability. The results of enhanced boiling heat transfer over our self-developed micro-pin-finned surfaces are reviewed in this paper, including pool boiling, flow boiling, jet impingement, flow-jet combined boiling heat transfer under normal gravity, and pool boiling heat transfer under microgravity. The results of enhanced boiling heat transfer over micro-pin-finned surfaces with different heat transfer modes are compared with those over other structured surfaces, and the advantages and shortcomings are pointed out. This review can provide useful information for further academic research and industrial application.

Key words:micro-pin-fins; pool boiling; flow boiling; jet impingement; microgravity; heat transfer; phase change; two-phase flow

Corresponding author:Prof. WEI Jinjia, jjwei@mail.xjtu.edu.cn

基金项目：国家自然科学基金项目（51225601）；西安交通大学新教师启动计划（DW010728K000000B）。

中图分类号：TK 124

文献标志码：A

文章编号：0438—1157（2016）01—0097—12

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151107