作者：胡学功 郭朝红 中科院工程热物理研究所 传热传质研究中心
微槽群复合相变先进传热技术是我所传热传质研究中心目前的研究重点及未来主要的发展方向之一。依托此技术发展起来的微槽群复合相变先进热管理技术研发团队，主要进行微细尺度流动和相变传热传质的机理研究，丰富和发展微细尺度传热学理论，并重点进行电力设备先进热管理节能技术、微电子/光电子器件先进热管理技术的基础与应用研究工作。近五年来，在该方向上承担了4项国家自然科学基金项目、2项国家高技术研究发展计划（863 计划）项目、1项中国科学院知识创新工程重大项目、1项中国科学院知识创新工程重要项目，及十余项企业委托项目，发表论文100多篇，申请国家专利共26项，已授权18项，培养博士后2名、博士4名、硕士4名，团队研究水平处于国内领先和国际先进地位。
作为一种新兴的微细尺度相变换热技术，开放式毛细微槽群热沉不是依靠泵等外来动力而是依靠自身结构中形成的毛细压力梯度驱动液体流动，并在微槽内三相接触线区域促进扩展弯月面薄液膜的形成（见图1），创造高强度的蒸发换热条件，因而能够被用来实现极高换热系数和热流密度的换热过程，其蒸发热流密度能达到108W/m2的数量级，在大功率激光器、高性能计算机、微电子、空间及MEMS等领域里有着非常广阔的应用前景。
中心在微槽群复合相变传热机理研究方面开展了丰富而深入的研究，从学术上揭示了沸腾情形下竖直开放式毛细微槽群内干涸、流动特性以及薄液膜高强度蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变强化换热具体机理，为大功率激光器、高性能计算机、空间、电力等领域里的散热问题提出对应的能承受高负荷的相变微冷与热控制元件的结构与参数设计原则，具有重要的工程应用意义。
在微槽内汽泡动力学行为的可视化研究方面，利用100000帧/秒的高速摄像仪与宽视场体视高倍显微镜相结合的可视化观察与测量技术着重对不同几何尺寸的开放式竖直矩形毛细微槽群热沉内汽泡的产生、生长发展、合并、迸裂以及核化等待过程进行了可视化实验研究，发现竖直毛细微槽群热沉内汽泡生长演化存在四种截然不同的模式，分别为孤立汽泡单槽生长及迸裂模式、孤立汽泡跨槽生长及迸裂模式、汽泡单槽合并生长及迸裂模式、汽泡跨槽合并生长及迸裂模式，并且在同一壁面过热度或热流密度条件下四种模式始终能够共存于不同的受热区域中。图2示出了单个气泡在单槽内的生长及迸裂模式。
借助可视化试验结果，发现孤立汽泡单槽生长过程大致如下：汽泡首先由槽底面汽化核心处产生，然后迅速长大，基本呈球体形状。当其横向直径达到微槽宽度时，在向槽法线方向生长的同时，其生长受到微槽结构的限制而主要呈轴向拉长趋势。为了对微槽内单个汽泡的动力学行为进行描述，将汽泡的生长周期分为三个阶段：初期生长阶段、受限椭球形生长阶段、轴向生长阶段，并建立了描述微汽泡三个生长阶段过程的理论模型，全面计算分析了汽泡的整个受热成长过程。计算结果表明，适用于池沸腾条件的Zhao et al、Zuber、Cooper et al、Labuntsov等的汽泡生长模型并不适用于微槽内汽泡的生长过程，计算误差很大，而针对微槽内微汽泡的生长模式建立的计算模型得到的汽泡当量半径及其生长曲线与实验数据吻合，如图3所示。研究结果说明槽宽对汽泡生长影响很大，汽泡底部及侧边微液层的蒸发促进了汽泡的快速膨胀，从而揭示了微细尺度界面效应与微结构对汽泡生长与强化换热的主导作用机制。
微槽内汽泡的产生、生长、破裂的过程会对三相接触线产生明显的扰动，如图4所示。通过可视化试验研究，发现汽泡动力学行为对薄液膜区域三相接触线的影响有以下几个特征：单个汽泡的生长、破裂对本槽道接触线的周期性的影响；过冷沸腾时汽泡周期性收缩对三相接触线的扰动；汽泡跨槽生长及破裂对临槽三相接触线产生影响；微槽结构尺寸明显影响汽泡对接触线的扰动，槽越浅越宽，汽泡生长周期越短，越容易对接触线产生频繁影响。
除了对矩形毛细微槽内蒸发薄液膜高强度蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变换热的机理进行了可视化试验研究，对纯蒸发条件下微槽内流体的流动换热情况也进行了广泛而深入的研究。利用体视显微和CCD摄像技术对毛细微槽群热沉内汽液界面温度分布进行了红外热成像实验研究，获取了微槽群热沉内汽液界面温度数据，为理论上准确计算毛细微槽群热沉内汽液界面相变换热系数提供了实验依据。研究发现：微槽表面呈现出规律变化的非均匀温度场，微槽顶部附着高强度蒸发的薄液膜，所以温度较低；而微槽内部汽液界面处，因为液膜较厚，热阻较大，所以温度较高。高热流密度下，微槽宽度和深度较小的微槽群汽液界面平均温度较高。如图5、图6所示。
对微槽内液体的流动特性的研究目前多建立在理论推测的基础上，为了清晰地观察到微槽内液体的流动特征，研究流动与换热的关系，实验室创新性地利用了Micro-PIV系统对矩形毛细微槽内液体的流动进行了实验观测，分析了微槽的流场及液体的流动轨迹。研究结果发现，在加热情况下，微槽内液体的流动存在明显的逆流现象，并不是单纯地沿微槽从液池流向蒸发端，如图7所示。
因此，微槽内液体的轴向流动可以分为三个区域：顺流区域、逆流区域和转变区域。同时利用Micro-PIV系统首次测得了矩形微槽横截面内液体弯月面的形状，发现微槽横截面上汽液分界线的形状是抛物线形而不是圆弧形；弯月面不同位置处曲率有所不同，越靠近微槽中央位置，曲率越大，越靠近微槽壁面，曲率越小。该研究成果几乎完全推翻了目前所有微槽道流动换热计算模型中对弯月面形状的假设前提，具有非常重大的学术意义。
为了使微细结构热沉能够安全可靠地应用于有振动的恶劣环境条件，实验室对外力扰动作用下产生的液膜振荡现象进行了实验研究和理论分析，并探讨了液膜振荡对微系统内流体的流动和换热的影响。在实验方面用高速摄像仪瞬态捕捉槽内润湿高度、液膜厚度分布等参数，分析机械振动对液膜的变形作用；在理论方面建立矩形微槽的三维换热模型，分析微槽内流体的换热特性、流动特性等方面的变化规律，为微细结构热沉在机载、舰载等恶劣环境条件下的应用，提供了重要的基础研究。图8为竖直振动之后，矩形毛细微槽中液膜分布发生的变形情况。
微槽群复合相变冷却系统具有强大的取热能力，完全满足现有大功率输变电、用电设备的散热要求，但冷却系统的远程热输运问题必须解决。传热与传质研究中心依托国家自然科学基金项目的支持，目前正在致力于远程热输运特性的基础研究工作。搭建了用于远程热输运系统研究的可视化实验台，进行了不同热输运管路倾角、长度、管径、热负荷等各种因素的影响下，液滴凝结过程的可视化研究；测量了不同热负荷条件下，远程管路的几何尺寸、倾斜角度对蒸发器和冷凝器内部蒸汽压力和温度的影响，以及由此所引起的热源表面温度的变化，为被动式远程热输运冷却系统的设计提供了丰富的实验数据。
图9为用高速摄像仪与体视显微镜相结合所测量的热输运管路中液滴的凝结过程。研究发现，液滴在蒸汽管路内的凝结经历了成核、生长、合并、脱离的周期性过程，该过程与发热体的热负荷、输运管路与周围环境的换热系数密切相关。目前此课题已经取得了阶段性成果。
传热与传质研究中心开展的关于微槽群复合相变先进热管理技术的基础研究都具有很强的应用背景，得到的理论与实验的研究成果为微槽群复合相变传热技术在大功率激光器、高性能计算机、电力电子、航空航天等领域内的工程应用打下了深厚的基础，为被动式微冷系统在这些领域的应用提供了强有力的支撑。
信息来源：中国科学院工程热物理研究所
