例文-微尺度相变传热的研究进展

微尺度相变传热的研究进展扬衡(20132346001，新能源应用技术)摘要：微尺度相变传热的实验和理论分析证实了微尺度结构具有高效传热的特性，并预示了该技术在电子通信、生物医药以及化工等领域为MEMS进行冷却应用上的巨大前景。

微尺度相变传热出现了不同于常规尺度的物理现象，原因可以分为两类：一类是连续介质的假定不再适用，一类是各种作用力的相对重要性发生了变化。

本文围绕微尺度相变传热的流型、不稳定性和表面性质的影响三个方面，对现有的研究成果进行了综述，并对微尺度相变传热的发展趋势做出了展望。

关键词：微尺度，相变传热，流型，不稳定性，表面性质1 引言随着微加工制造技术的迅猛发展，各种结构精细、功能完善的微型电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)被陆续开发出来，并广泛地运用于电子通信、生物医药以及化工等领域[1,2]。

在这些工程应用中，MEMS呈现出了高集成度、高功耗和微尺度的特点。

然而，快速增加的系统发热已经成为MEMS研发和应用的一项重大挑战。

以电子芯片为例，元器件的失效率随着器件温度的上升呈指数规律上升，元器件在70~80 ℃温度水平上每升高1 ℃，其可靠性降低5 %[3]。

因此，在对高热流密度的MEMS进行结构设计和功能优化时，如何解决MEMS的散热问题迫在眉睫。

目前，为了能够实现大热流密度的热量传输通常采用微尺度的相变传热技术，诸如微流道热沉、微流体传热和微热交换器等[4-6]。

按当量直径的范围，相变传热的通道可划分为大通道(≥3 mm)、细通道(200 μm~3 mm)和微通道(10 μm~200 μm)。

近年来，国内外对微尺度相变传热的实验和理论分析工作均证实了微尺度结构具有高热流密度传热的特性，微通道/微热管相变传热的等效传热系数远大于传统材料的传热系数，约为5 000~30 000 W/(m·K)[7]。

由于尺度的减小和面体比的增大，微尺度相变传热中各种表面性质(表面粗糙度、浸润性)和表面作用力(表面张力等)的作用更为突出，体积力的作用(重力等)更为削弱。

因此，流体在微通道中会产生不同于常规通道的热流体动力学作用，涉及到毛细流动、微通道内的压降、流体的加热和蒸发、单相流/多相流、沸腾和气泡、汽-液两相流的混合机制等(图1)[8]，这些作用极大地影响了微通道散热元器件的传热特性。

微尺度相变传热之所以会出现与常规尺度不同的物理现象，原因可以分为两类：一类是连续介质的假定不再适用，另一类则是各种作用力的相对重要性发生了变化[3]。

(1-a) 微尺度相变传热机制(1-b) 微通道内各种微热流体的动力学过程图1 微尺度的相变传热[8]本文围绕着微尺度相变传热的流型、不稳定性和表面性质的影响三个方面，对现有的研究成果进行了综述，并对微尺度相变传热领域的发展趋势做出了展望。

2 微尺度相变传热的流型流型表征了两相系统的流动结构，受到力学因素的制约，并极大地影响系统的传热性能。

汽-液两相系统的压降、传热系数、临界热流密度等均与流型有关。

由于体积力的作用可以被忽略，微尺度相变传热的流型更为规整独特。

Wu和Cheng[9]对梯形截面并行硅微通道(D e = 82.8 μm, 158.8 μm)中水的沸腾流动进行了可视化与压力/温度等动态参数测量的同步实验研究。

借助显微镜和高速摄影系统，他们观察到了泡状流、弹状流、混状流以及其它特殊的流型。

Wu和Cheng[10]还对梯形截面硅微通道(D e = 186 μm)中去离子水的沸腾传热进行了实验研究。

在热流(2-a) 液相流动阶段(2-b) 汽-液两相流动阶段(2-c) 汽相流动阶段图2 液相/两相/汽相间歇流[10]密度为22.6 W/cm2、质量流速为11.2 g/(cm2·s)时，由可视化测量发现了一种特殊的两相流流型：液相/两相/汽相间歇流，如图2所示。

蔚萌萌等[11]对梯形截面并行硅微通道(D e= 77.5 μm)中水蒸汽的凝结相变过程进行了可视化实验研究。

在实验中观察到了如图3所示的由环状流向塞泡状流转变的过渡流形式-喷射流。

图3 硅微通道中的凝结流型演变过程[11]Hetsroni等[12]在3种三角形微通道(D e = 103 μm, 129 μm, 161 μm)中进行了汽-水两相流的实验研究。

按流动机制，他们将汽-液两相流分为低热流密度和高热流密度两种情况。

在低热流密度情况下，并联通道的部分区域被液相占据，其它区域被汽相占据。

整个通道壁面的平均温度低于水的饱和温度，并在壁面上产生汽化核心。

尺寸在30 μm量级上的小气泡形成、增长并向微通道下游掠过。

在高热流密度情况下，所有微通道中均出现类似周期性的蒸干和液相重新进入通道的现象，亦即发生了两相回流现象。

流型研究的重要性不言而喻。

上述研究中发现的一些特殊流型的形成机理还有待进一步探明。

3 微尺度相变传热的不稳定性目前，对于微尺度相变的流动与传热不稳定性的研究比较少。

最近的研究工作表明，微尺度相变传热具有不同于常规尺度情形的特点，特别是具有周期性流动的特点。

Hetsroni等[13]在当量直径为130 μm的21个并行三角形微通道热沉上进行了Vertrel XF为工质的沸腾传热实验。

在均匀受热条件下，对微通道内的流动不稳定性进行了可视化与动态参数测量的同步研究，发现了微通道内周期性沸腾的现象。

在一整周期内，汽-液两相存在的时间约为0.05 s，单相液体存在的时间为1.5~2 s。

正是由于汽-液两相和液体间歇地流过通道，导致了压力的脉动与传热系数随时间的变化。

此外，实验结果表明温度脉动的实时特性是与压力脉动相对应的，压力脉动的最大值与微通道的压降值相差不大。

Wu和Cheng[9]在梯形截面的并行硅微通道中进行了水沸腾流动的可视化与测量的同步实验研究。

他们采用的两组并行微通道的当量直径分别为：82.8 μm和158.8 μm。

研究结果表明，沸腾产生后，汽-液两相流与单相液流交替出现，导致了温度、压力及质量流速随时间作大幅度、长周期的脉动。

单相流与压差的降低、质量流速的增加相对应，而汽-液两相流与压差的增加、质量流速的减小相对应；温度和压力的脉动同相，而压力和质量流速的脉动不同相；形成了自维持的周期性沸腾。

该实验证实了Wang等[14]提出的观点：如果压降与质量流速的脉动存在相差，那么这种大幅度、长周期的脉动可以自维持。

此外，他们还观测到在入口压力升高及质量流速降低的期间，入口温度及质量流速存在小幅度、短周期的脉动。

Wu和Cheng[10]在当量直径为186 μm的受热梯形硅微通道中进行了去离子水的沸腾传热实验，发现在高热流密度22.6 W/cm2、低质量流速11.2 g/(cm2·s)条件下存在液相/两相/汽相间歇流的不稳定流动。

他们对通道进出口水温以及壁温随时间的变化进行了测量，温度测量得出的脉动周期与可视化观察到的脉动周期相吻合。

微尺度沸腾相变的流动与传热过程中容易出现不稳定性现象。

沸腾产生于微通道后，各参数如压力、温度、流量以及流型均随时间作规律或无规律的脉动。

在上述研究的基础上，我们需要从实验和理论分析两个方面对微尺度相变的不稳定性进行深入研究。

4 微通道表面性质的影响在微尺度相变传热过程中，与特征尺寸的高次方成正比的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与特征尺寸的低次方成正比的黏性力、表面张力、弹性力、热应力以及静电力等的作用相对增大，这导致宏观尺度流体力学理论在微尺度下的应用受到限制。

此外，微通道内的表面性质：表面亲疏水特性[15,16]、粗糙度[16,17]等对微尺度相变的流动与传热的影响更为突出。

诸多学者也都展开了对微通道内流体流动传热的模拟[18,19]与实验[20-23]研究。

文献[15-23]的研究结果表明：当微通道内表面的浸润性相同（同为亲水或疏水）时，粗糙表面会给微通道内的流体流动带来比光滑表面更大的阻力，且流体的流动推动力越大时其影响越大；当微通道内表面粗糙度相同时，亲水表面会给微通道内的流体流动带来比疏水表面更大的阻力，且流体的流动推动力越大时其影响越显著。

相比之下，微通道内表面得浸润性对流体流动的影响比粗糙度的影响更大。

对于受热亲水性微通道，微汽泡易产生在通道中央；而对于受热疏水性微通道，微汽泡易产生在通道壁面，可能导致管壁的烧毁。

5 结论与展望微尺度相变传热是近年来微加工技术、微结构和热量管理等若干领域的前沿交叉和研究热点，有着重大的学术意义和技术应用前景，对电子通信、生物医药以及化工等领域的发展具有重要的推动作用。

微尺度相变传热的研究比较初步，还有许多难点问题尚待深入研究。

根据作者的观点，微尺度相变传热存在的难点问题可以综述如下：⑴微尺度沸腾/凝结的汽-液两相流型图的绘制，沸腾/凝结传热与阻力准则关联式的建立，以及不同条件下沸腾临界热流密度的确定。

⑵微通道中沸腾的不稳定性导致的大幅度温度和压力震荡的控制。

⑶为更好地理解微尺度相变传热的机制，微尺度沸腾/凝结相变传热的数值模拟研究有待突破。

参考文献[1] Stone H A, Stroock A D, Ajdari A. Engineering flows in small devices: Microfluidics toward alad-on-a-chip [J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2004, 36: 381.[2] Grayson A C R, Shawgo R S, Johnson A M, et al. A bioMEMS review: MEMS technology forPhysiologically integrated devices [J]. Proceedings of the IEEE, 2004, 92: 6.[3] 过增元. 国际传热研究前沿-微细尺度传热[J]. 力学进展, 2000, 30(1): 1-6.[4] Tuckerman D B, Peace R F W. High-performance heat sinking for VLSI [J]. IEEE Electron DeviceLetters, 1981, 2(5): 126-129.[5] Hetsroni G, Mosyak A, Pogrebnyak E, et al. Heat transfer in micro-channels: Comparison ofexperiments with theory and numerical results [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, (48): 5580-5601.[6] Nurudeen O. Olayiwola. Boiling in mini and micro-channels [D]. Georgia: Georgia Institute ofTechnology, 2005.[7] 陈嘉瑞, 陈宗耀, 陈孟壕, 等. 高效能板式热管之研究[J]. 国研科技, 2007, (7): 40-47.[8] Lorenzo C. Convective boiling heat transfer in a single microchannel [D]. Lausanne: ÉcolePolytechnique Fédérale de Lausanne, 2008.[9] Wu H Y, Cheng P. Visualization and measurements of periodic boiling in silicon microchannels [J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 46: 2604-2614.[10] Wu H Y, Cheng P. Liquid/two-phase/vapor alternating flow during boiling in microchannels athigh heat flux [J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2003, 30: 295-302. [11] 蔚萌萌, 吴慧英, 全晓军, 郑平. 硅微通道凝结相变过程中的喷射流现象与分析[J]. 工程热物理学报, 2007, 28(2): 292-294.[12] Hetsroni G, Mosyak A, Segal Z, et a1. Two-phase flow pattern in parallel micro-channels [J].International Journal of Multiphase Flow, 2003, 29: 341-360.[13] Hetsroni G, Mosyak A, Segal Z, et a1. A uniform temperature heat sink for cooling of electronicdevices [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2002, 45: 3275-3286.[14] Wang Q, Chen X J, Kakac S, et a1. Boiling onset oscillation: a new type of dynamic instability in aforced-convection upflow boiling system [J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 1996, 17: 418-423.[15] Rosengarten G, Cooper W J, Metcalfe G. Experimental and analytical study of the effect of contactangle on liquid convective heat transfer in microchannels [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(21/22): 4161-4170.[16] Wu H Y, Cheng P. An experimental study of convective heat transfer in silicon microchannelswith different surface conditions [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003, 43(14): 2547-2556.[17] Qu W L, Mala M G, Li D Q. Heat transfer for water flow in trapezoidal silicon microchannels [J].International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, 43(21): 3925-3936.[18] Li Zh, Tao W Q, He Y L. A numerical study of laminar convective heat transfer in microchannelwith non-circular cross-section [J]. International Journal of Thermal Science, 2006, 45(12): 1140-1148.[19] Tiselj I, Hetsroni G, Mavko B, Mosyak A, Pogrebnyak E, Segal Z. Effect of axial conduction onthe heat transfer in micro-channels [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, 47(12/13): 2551-2565.[20] Lelea D, Nishio S, Takano K. The experimental research on microtube heat transfer and fluid flowof distilled water [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2004, 47(12/13): 2817-2830.[21] Celata G P, Cumo M, Marconi V, McPhail S J, Zummo G. Microtube liquid single-phase heattransfer in laminar flow [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2006, 49(19/20): 3538-3546.[22] 刘恩光, 吴慧英, 唐慧敏. 微型硅基内肋管内的流动与换热特性[J]. 化工学报, 2009, 60(8):1906-1911.[23] 唐慧敏, 吴慧英, 吴信宇. 锯齿形硅基微通道内流动与换热特性实验[J]. 航空动力学报, 2010,25(6): 1264-1270.Recent Advances Related to Microscale Phase-change Heat TransferYang Heng(20132346001, Application Technology of Green Energy)Abstract: The heat transfer experiments and theoretical analyses for microscale phase-change heat transfer have confirmed the microscale structures’ highly efficient heat transfer characteristics. It promises that this technology has a great application prospect for MEMS’s cooling in the fields of electronic communication, biomedicine, chemical engineering and other industries. Additionally, microscale phase-change heat transfer is characterized by some special phenomena at microscale differing from that in macroscale. The reasons for that can be divided into two categories: one is the invalidity of continuum assumption; the other is the variation of the relative importance of various forces. The latest advances in the three aspects of microscale phase-change heat transfer, which are flow pattern, flow instability and surface properties, are summarized. And finally, the development trend of the technology of microscale phase-change heat transfer is also predicted.Keywords: microscale, phase-change heat transfer, flow pattern, flow instability, surface properties。