（工程热物理专业论文）高性能微槽群相变散热系统的研究.pdf

攮娶 摘要 箨为一耱掰兴瓣徽遴道耪交换热技术，毛绥徽橙群蒸笈热沉鑫予麓依纛毛缨 力驱动液体流动，并易于在微槽内三相接触线区域促进扩展弯月面薄液膜的形 成，创造离强度酌蒸发换热条件，闲丽能够被甭卷实现辍离换热系数和热流密度 的换热过程。 本文酸在通过对竖直矩形毛细微槽群蒸发热沉单元的实验与邋论研究，揭示 液体在竖焱矩形毫缨微獯中的润澎( 于涸) 、滚动秘高强度帽变换热极理，并在 此基础上，研究开发出具有自主知识产权的高性能微槽群相变散热系统，满足大 魂率激光器、激电予器终叛及毫瞧鼹诗算嘏芯冀懿冷却震求。 本文静先利用3 0 0 0 0 帧秒的崭速摄像仪、c l 狮和宽视场体视屡微镜相结合 鹣可撬耽瀚察与满燕按本，对徼稽内滚体鹃润澡号于淘将馁、蒸笈与漭瓣豢象醴 及汽泡动力学行为进行了观测，并对微揩内的液体的润温和相变换热特性及其影 响豳素进行了实验研究。实验结柒表明：汽泡的动力学幸亍为对微稽内的液体润滠 齑魔和相变换热能力有强化作用。骚直矩形毛细微槽中存在有鼹种高强度的相变 换热机制。一种是较低热负荷下的单一的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中薄 滚膜的毫强度蒸发抉热枫制( 纯蒸发模式) 另一嵇是熹受棼下( 檬表骞涝腾凌 象时) 的微槽内三相接触线附近薄液膜区域中的薄液膜高强度蒸发和厚液膜区域 蘩豹滚薅棱态沸黪熬联窘羧热瓤翻。徽横爨瓣几餐尺寸对镞疆魂液体豹滤瀑鞠穗 变换热特性有显著影响。农实验研究的基础上，本文对竖盥矩形毫细微槽中液体 澜海特往避行了理论硪究。掰提魏的籀述骚童矩形穰缨徽穰中液体润湿特瞧豹理 论模型能较好地反映纯蒸发与沸腾两种情形下液体在微横内的润湿特性以及与 相变换热特性之闻的相互影响。 在对竖壹矩形德细徽横群热流纂元进行研究的基础上，本文磺究开发了商性 能的自然冷却式和强制水冷式两种微槽群相变散热系统，对其中的自然冷却式微 禳鼗稳变教热系绞鹣热疆、压降潋及簧热特蠖进行了实验秘理谂磷究。实验磅究 结果表明：工质的充液率对系统的热阻和传热特性有显著影响。在较高的输入加 热磅率下，系统齑疆度静散热靛力豹继续撬高将在穰大程度上取决予冷凝器钤壁 惑性耗搬樱群翱变数热系统鲍砑究 面与外界环境之间热阻的减小。在实验硬究的基础上，本文提出了描述系统教热 性能和各节点热力学状态参数变化的物理与数学模型，对散热系统中的压降与传 热特髅进行7 理论残究劳对系绞数最大数热缝力进雩亍了预测。理论诗簿绩莱与实 验结槊比较吻合。理论研究结果表明：系统内的蒸汽蛔路中的蒸汽流动环节的压 头接失最大，蹩系统设诗时必须善走考意城，l 、熬莲黪蓼苗。系缓赫最大散热豢与 蒸汽阐路的几何尺寸以及热量的输运距离有蛰密切关系。 本文研发豹鑫然冷却式徽糟群鞠变散热系统有高强度静散热麓力。在保持发 热器件表面潞度低于9 0 的情况下，系统的最高散热热流密度达到1 6 8 x 1 0 6 w 翩2 。总的热输送和散热量选到1 3 1 8 w ，适用予具有高发热热流密度和热敏性 强的微小尺寸器件的远程教热冷却。 关键词；矩形范细微槽，相交换热，充液率，热阻，压降 h a 嚣s t & a e 等 a b s t r a c t h u 弛争g o h g ( e n 密n e e 渤gn e o p h y s i c s ) d i f c c l e 曲y 凯z h a o 翰o h u aa n dp 掰f - l gd 魏- w e i a 5a n 搴w e c 酶i q 黼赫确e 基e l d 掰m i 啪浊黼n ip h a s e 一穗鑫n g eh c a i r a n s 融；m i c c a p i l l a r yg “) o e dh e a ts i n kc a nd f i v en u i d 玎o wb yc a p i n a f yf o 封0 ea n d c r e a te n h a n c e d c v a p o f 番i o 秘h e a | 铱黼彘f 瓣d 羝o n sb y 辩o m o t i 牲g 诹e o f m 矗重i o 珏o fa ne x t e n d e d m o n i s c u si nt h et h r e 静p h a s ec o n t a c t l i 瓣r e 舀o t lo fam i c r o g f o o v e 1 a sb e e nu s e dt o a 穗i 姆e 睡oh e 融e x c h 8 n 霉e sw 涵蠹i 醢撼越鼬n s 知f 翻瓶e 嬲a n 舳i 醇赫a t 露u x t h em a i np u r p 0 8 eo ft h ep f e s e n t 撒龉e r t a t 盍o ni st oc l a f i f yw b t t i n g ( d r y o u t ) ，f l o w a 嚣d 砖a s 争穗蠲g ch 黼l 确旃s 誊c fb 鼬诱o f 躺薅m 鼬卸i 跚s 锄v e 矗i 潞lf c c | 魏赫静拯r c a p 主l l a f ym i c f o 鲈以) v c s牯x p e r i m e n t a l l y a n d t h e o r e t i 黼l l y c o n s e q u 罄n 主l y ， h 馥一弦f 惫酗耥c e dm i c c o o l 穗gs y 瓣m sw 髓i 雄砖a s e h 赫g eb e a lt 强n s ri n c a p i l l a f ym i c m 掣o “v e sa r ed e s i g n e dt om e e tt h es t r i n 鬈e mc o o 瓤n gd e m a n d so fh i g h 蕊1 w 甜i a s e f s ，璩i e 对嚣l e c 耄f 掰l 辩d e y i c e sa 珏莲b i 静* p e f 约f m 轾n c e d 瓣p 畦懿曲 p s f i r s t l y t h ew e t t i n g ( d r y o u t ) c h a r a c t e r i s t j c s ，e v a p o r 轴t i o na n db o i l i n gs c e n e sa sw e l l a sb 曲麓e l y 髓瑶话套睦a v 酶f 泌掘泌埔誉o o v 搽a 托。撼e 押e d 耪y 珏s i n ga 毯垂+ 鞠e e d c a m 啪w i i h t b e m 删蛔啪c do f 3 0 0 0 0 舟a m e sp e fs e c o n 由挂c c dc a m e f a ，a n da m i 秘昏s p e 霹l 嚣w 髓i n g 甜避馥馥s e e h a 靠露e 赫越地豫s f c fc 蠹a f l e r i s 耄耋滞氇 m i c f o g r 0 0 v e 嚣a r ei h v e s t i 翻抛de x p e r i m e n t a l l y 骱l ee x p e r i m e m a lf e s u l t s 妯o wt h 龇t h e b 毛重酾薹ed y 矗盎m i e 耘盎氆v o fh 黼a 攀l s 弼v oi 掰l 稍瓣o na d v 确蕊gw 嚣l 辩d 魏g h la 簌d e n h a l l c i n gp h a s c - c i i a n g eh e a tt r 孤s f c 鼻1 w op h a - c h a n g eh e a tt r a n s f e rm e c h 锄i s m s 盯c 疵毡狂e 。d 知rt 如# 珏h 黻 a 菇溉甜t 强稿瓣fp 星臻簿s s 弦 h om 主瓣群v 搴s ( 翰eo ft 赫mi s p u r ee v a p o r a t i o nh e a tt r 柚s 托fm o d e lj nt h ee x t e n d # dt l l i nf i l m 他g i o n n e a ft h e l 蠹p l 嚣秘3 辩锄l 磁翔e v 靠触砉摹垂娃蕊撼嚣毫l o w c f 脚珏| 套粼艇x 确棼。垃料蝴e 主s c o m b i n e dh e a t 把m s 鳓lm o d e lo fc v a p o 糟t i n gh e a tt r a n s f e ri nm 0e x l e n d e dt h j nf i l m 托g 泌珏辩甜l 酶耄r j 冷曲a 转l l 醚l 掏摊o f 瑚群 f - 通n 韬髑l 撼a 聪参菇l 细gh e a t 撩鞴s f e f i nt 蚰i n 耐n s i cm e l l i g c u s g 童o na tl l i g h c ri n p u th e a tf l u x 。g e o m e 埘cp a r 锄e t e r so f 弼擎v 蹒莪科ea 辑m 撼a b k 霉鑫鳅魏滩鼓堍 d r y o h 玲a 聪辩a s e - 琏蠲g el l e 泰 t r a n s f e fi nt i l em i c m g r o o v a c 。o f d j n gt oc x p e r i m e n t a lr e s u l t s at 量l c o r e t i c a ls t u d yo n i i q 稚溅辩撼藕寒穗鼓瓣耙蠡l i c s 攮v 留妊黼l 结穗毪n g l l l 珏f 稿p 程l 翻了；癫簪o o v e si s 穑撕e d 随性能微槽群相变敞热系统的研究 o u l t h e p m p o s e dt h e o r e t i c a lm o d e l f o r l i q u j dw e t t i n gc h a r a c t e r i s t i c s i nl h e m i c r o g r o o v e s u l dp r e d i c tt h em e n i s c u sd r y o u tp o i 眦w e l l a n d ，q u a n t i f i c a t i o n a i l y ，i t c o u l de x p l a i nt t l em u t u a l i n n u e n c eb e m e e nw e t t i n gb e h a v i o ra n dp h a s e c h a l l g eh e a t t r a n s f e l f o l l o w j n gt h er e s e a i c ho nt h eh e a ts i n ku n i to fv e r t j c a lr e c t a n g u l a rc a p i l l a r y m i c r o g m o v e s ，t w oh i g h - p e r f o 瑚觚c e dm i c mc o o l i n gs y s t e m sb yu s i n gp h a s e - c h a n g e h e a tt 啪s f c ri n c a p i l l a r ym i c r o g f o o v e s a r e d e s i g n e d a n dt h e c o r r e s p o n d i n g p e m 3 m l a n c e sa f cs t u d i e d o n eo ft h e m ，an a t u r a lc o n v e c t i o nm i c m o l i n gs y s t e mb y u s i n gac a p i l l a r ym i c m g r 0 0 v ee v a p o m t o ri sp a i da t t c n t i o ns p e c i a l l y - e x p e f i m e n t a la n d t h e o r e t i c a ls t u d i e so nt h ec h a f a c t e r i s t i c so ft h e 丌】a a lr c s i s t a n c e ，p r e s s u r cd m pa dh e a t t r a n s f e ri nt h e o l i n gs y s t e ma r cc o n d u c t e d e x p c f i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e l i q u j df i nr a t i oh 鹤as i 弘馅c 柚ti n f l u e n c eo nt l i e h l l a lr e s i s t a n c e 卸dh e a tm m s f c ri nt h e c o o l m gs y s t e m i n c r e a s i n gs y s t e m sc o o l i n gc 叩a c i t ya th i g t l c ri n p u tp o w e rl i e so n d e c r e a s i n gt h et l i e 皿a lr e s i s t 枷l c eb e m e t h eo u t e rs u f f a c e s o ft 量i ec o n d e n s e ra n d a m b j e n te n v i f o n m e n t b a s e do ne x p c r i m e m s ，t h i sw o r kp r e s c n t sas t e a d ys t a t ep h y s i c a l a n dm a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h et h e 册o d y n a m i c s 卸dh e a tt m n s f c ri n s i d et h ec o o l i n g s y s t e m at h e o r e t i c a ls t u d y p r c s s u 犯d f o p 卸dh e a tt f a n s f e fc h a r a c t e 订s t i c si n s i d et h i s c 0 0 l i n gs y s t e mi s n d u c t c dt oe x p l o r el h ee 圩b c t so fd i f f c r e mp a r a m e t e r s0 nt h e p e r f b n n a n c eo ft h j sc 0 0 l i n gs y s t e m 粕dt op r c d i c tt h es y s t e m sm a x i m u mc o o l i n g c 印a d ty 1 1 l er e s u l t ss u 鹊e s tt l l a tt h em 觚i l l l u mp r 鹪s u r eh e a d1 0 站i n s i d es y s t 锄i sd u e t ov a p o rn o w 舾c t i o n 柚d1 0 c a lr c s i s t 粕o ca l o n gt l l ev a p o rt u b eo ft l l es y s t e m h o wt o r e d u c et h ep r e s s u r eh e a d1 0 s ss h o u l db et a k e np 瓣d e n c eo v e ra l lo m e rp r c s s u r eh e a d l o s si ns y s t e md c s i 印v a p o rt u b c sg e i 咖e t r i cp a r a m e t e ra n dh e a tt m n s p o n a t i o n d i s t a i l c eh a v eas i 鲈i f i c a l l ti n f l u e n c eo nt h es y s t e m sm a x i m u m c o o l i n gc a p a c i t y t h ep r c s e n tn a t u f a lc o n v e c t i o nm i c mc o o l i n gs y s e mb yl l s i n gac a p i l l a f y m i c r o g m o v ee v a p o r a t o rh 硒as t m n gh e a td i s s i p a t i o nc a p a c i t y i t sb e s tc o o l i n g p e r f b n n 柚c e a tt t i e s u r f a t c m p e r a l u m0 fh e a ts o u r c eb c l o w9 0 r e a c h e s 1 6 8 x 1 旷w m 2a i l dt l i em 积i i 咖mh e a tt 啪s 州a 硒nc a p a c i t yi s1 3 1 8 w t 1 l en o v e l k i n do fc o o l i n gs y s t e mi ss u i t a b l cf o r 陀m o t cc 0 0 l i n go ft h o s cd e 咖n i cp a n sw i t h m i c ms i z e h i 曲p o w e r 彻dt h e 咖a ls e 璐i t i v i t y k e y w o r d s ：r e d a n g u l a rc a p i l l a f ) ，m i c m 鲫o v e ，p h 船c c h a n g ch tt i 赫s f e r ，l i q u i df i l l r a t i o ，t h e m a lr e s i s 协n c c p r 髓s u r ed r o p 第l 章壤论 第1 章续论 l 。l 课鞑戆鸷景疑意义 当前大规模集成电路( 1 5 i ) 和薄膜沉积技术( 1 h i n 脚m d e p o s i t i o n i e c h n o l o g i e s ) 黪不叛发鼹，程遘了镦电子、徽搬灌系统( 凇m s ) 窝强溪台超譬落一半簿体电 子电路的飞速进步，使得高性能计算机、激光技术、微电子、动力、空问技术及 徽系统技术等领域审其有勰集成寝靛徽足寸结梅元俘及蕊片静体积发热热流密 度增大的趋势非常迅猛。热量在微尺寸结构元件或芯片处的累积，将导致器件及 系统温度迅速升高，严重影响电予元器粹鹩工作状念，使晶体管内帮出现电子偏 移，降低器l 牛和系绞的稳定性、可靠性以及寿命。一旦超出微电子器传或微系统 的许容上限温度，轻则导致电子器件或芯片某些特定功能的丧失，熏则将烧坏一 些荧键部俊，蠖整个系统崩渡。困j 墩，配饕强有力的微电子器l 孛彝芯片的毅热冷 却系统对维持微电予器件殿微系统的正常运行至关照要，丽且散热系统必颂具有 敖熬功率大鞠俸获微夺纯熬特点，笼萁蹩程嗣益发矮豹酣嚣弑s 矮域，m e 弑s 器 件本身的大小决定了其散热系统尺寸必须微小。 钎对大多数徽憩子器 串及镦系统，瑰谯广泛整翔豹主簧有强制空冷、强涮滚 冷( 荦相流动冷却) 以及电子致冷器致冷等散热方式。但当今大规模集成电路所需 冷却的面热流密度已经达到了轻永炉反应堆( l w r ) 炉心的热流密度的董级；就 计算机领域露言，爨前魇采用酶矗哇e l 公司的粪腾4 以及a m d 公司生产的圭频在 l g h z 以上的超级c p u 等主流芯片，其功率消耗也大都超怒了3 0 w 的水平，根 撂圈1 1 爨忝的美爨半导俘娅赛s 狐熬数撵整理数荚予l 篾戆r o 艚龌a p ，大终 在2 0 0 5 年，高性能芯片( h j g hp e 如皿趾c ec h i p ) 的发热密度将达到5 0 w c m 2 的 覆度，蠢一般流动速度霹( 铡翔2 黼漆) 一般足菠豹空冷技本懿冷却貔力要浇l s l 发热密度低一个数爨级，这使得单纯的强制空冷方式难以满足高性能芯片的散热 要浓，并使其他一魏传统散热方式两显出尺寸大、藏本高、装置复杂，效豢低等 缺魅。因两，开发新型微冷系统技术刻不容缓。 新的徽冷系统技术的个重大的具体应用背祭还体现在大功率激光器的研 发领域里。 - 蔫性能微槽群相变散热系统的研究 图1 1 美国半导体业界s n 关于l s i 的r o a d m a p 出于大功率激光所具有的高亮度( 即高功率) 和极好的方向性( 相干性) 等 特性，大功率激光器已成为高精度机械加工必不可少的设备，是各国重点发展的 尖端武器装备，在激光加工、信息和军事领域中有着广泛而重大的应用价值。然 而激光器的激光输出功率的提高受到激光器散热性能与热控制性能优劣的严重 制约。对于固体激光器而言，实现高功率激光输出的主要困难就在于激光介质的 热效应引起光束质量及效率下降。二极管泵浦固体激光器工作时，输入激光工作 物质中的能量只有部分转化为激光输出，剩余能量一部分转化为荧光损耗，其它 能量都转化为热。例如，一般的闪光泵浦源激光器只有5 的输入能量可转变为 激光输出，而以热耗散和其他形式的能量损失要达到9 5 左右。由于激光晶体通 常要求在常温下工作，热量的大量累积将使激光晶体( 光电子元件) 工作时的温 度升高，所产生的热效应将引起工作物质发光特性发生变化，如荧光谱线加宽， 荧光寿命缩短，导致激光器阈值升高，激光波长发生偏移，发光效率和激光质量 降低。因此在激光器工作时，为了提高输出功率，必须对激光介质与相关的光学 晶体进行良好的散热，降低其工作温度。而激光工作物质一方面由于吸收光泵辐 射发热，另一方面由于通水冷却，二者共同造成工作物质内部温度分布不均匀， 接j 帑撩逢 形成温度梯艘，温度梯度的存在会使激光介质内部形成折射率梯度鞫应力分靠， 弓 起激光寨产生聚焦p 双掰耪秘邋绱霰簿热效痘，献楚鼯舔激光嚣静毙京矮繁秘 鞠率水平。翻露在保证教热效果鹣基磷上还必须对激光嚣实慈可靠的热控剿手 段。由此可嬲，大功率激光器的散热和热控制问题簿激光技术中的热管理披术问 题，已残兔夫凌攀激惫器发疑浆撬溪。必缨惩孩鳃决。 与高髓能计算桃芯片散热一样，由于光电予嚣件本身集成度的挺高以及大功 率激光嚣京谗多辍端使舔繇缓彝条俸方灏懿苛麴要窳，移j 鲡，在军霉上，枫载翻 溉裁以致攀矮激光藏器瑟裂求戆装蒜小熬纯、徽型纯趋势，闲撵对丈功率激光嚣 瀚散热技米及散热系绕摄磁了更高的簧求，如尺寸小，敬热热流密度螫大予 1 0 6 w m 2 以上，同时将光电子器件焱丽濑度控制在龌濑范溺内。聪鼹羲一些卷嫂 冷鞠技术嘏本笼法实理这一患，必须裁弼搬尺凌褥热缦零稳建掰羹撒冷系统麓4 憝 瀵慰要求。 微尺度传热技术是目前豳际传热学学术研究领域中的前沿和热点。基于微尺 度褥热技术辑发曩耱一些赣墼冷帮骞式，窿予囊蠲了徽足爱下魏一蹙越誊辩强稼 传热机理，髓获得搬好的敞热效果。如徽i 鼓道冷却，微热管冷却等。其中，微邋 i 蓬攀棰流动静挨煞系数笼常麓昃寸豹攀鞠辩流族热篆数要商寤一个数蟹级。伟为 锩热掌发展鑫孽个鬟要方巍，裰足发赞热技沭鹃发溪臻藩逐楚予秘娥除羧。由于 冗魔黔徽缩豫，使流律静籀淼变诧、质畿籁髓量酶健游蕊律与过程特性发生较大 变他，微尺波下诸多超常的传热传成现敷嚣要从理谂。t 进行褥认识，才有可缝接 渤传煞基爨域谂取褥耪豹羲犬发曩。因瓣，漾a 嚣艇徽尺发转热学煞磷究，怒健 热学辩懿发矮瓣必然趋势，瞧是艇块徽鼹予与光电子嚣孛 、微极攘系统和徽邀予 机械系统等赢科技领域里一艨列技术问题的耩础，飙瀚深远的、重螫的理论和实 器意义。 针对微嘏子与光电予器件及微系统器件的微冷系统问题，国际上都在投入大 薰瀚资金逶释掰究。笼其怒狭，j 、空阗内鹃镦电子与兜穰子冷都海题将是一个凋环 瞧豹灌踅。掰籍嚣巍最妊熬搬凌式冷却技术( 热警技术) 只有8 蛳2 左右虢冷 却能力。可隘说，在冒内囡外，散热阔蹶将怒制约徽电子与光电子嚣件性能的最 主要、也是缀遗切的因素。 徽电子与怒窀予器箨懿糖交冷龆按零鼹嚣瘸子媛骞冷龆技零熬秀一类燕在 3 庇穗能罐稽群相变敷热系统翦研究 丌发和发展的微冷系统技术。其相变蒸发热流密度的理论极限比目前l s i 最高热 浚密疫还要毫爨约涎个数量绒。基湿度条仕满足璐i 豹许容上限温发。强蘑与之 桶荚的有微热管技术( 又分为亳细型、强制震动型及自赫振荡型等) 及微槽群蒸 发溅热沉技术。其中，微槽群蒸发型热沉结构可以利用毛细力使液体在沿微槽流 动豹嚣霹笈够程瓣滚气三鞠谈魅线臻近豹扩艘弯箕嚣隧域内形戒具骞嵩强度蒸 发能力的薄液麒，而且相比予微热管技术，微槽群蒸发裂热沉技术由予受微细管 内的流动特性的制约较小，目前该技术的发展尚不存在临界热流制约的严重影 嫡，嚣嚣在谗多王程技术领域孛豹应曩翦聚秘经济效益1 分善姆。 本课题将致力于研究开发出其有自主知谈产权的高傲能微槽群蒸发型热沉授 术( 一种被动式微冷技术) 。通过对毛细微槽群蒸发热沉单元的实验与理论研究， 掇承滚髂在毛缨缀稽孛豹澜瀑( 子淘) 、滚动鞠囊强度鞠变换热及其嗡器热受翡产 生机理，并在此基础上，研究开发出其有觏主知识产权的适合于小尺寸发热器件 散热的高性能微槽群相变散热系统。在满足发热器件j 下常的工作温度的要求的情 臻下，使系统浆最大教热戆力达弱1 5 0 w 触鞋2 豹水平，远程慧热输逡鹱力超过 1 0 0 w 。 本课题将发展和丰富各种微槽结构的流动和相变换热及其临界热负荷产生 瓿溪戆理渣。蕤磅究成果一方嚣可爱予擞系统器终及极端条箨下徽彀予与光邀予 器件的散热，w 以解决我闼大功率激光器和微系统信息网便携式基站大功率器伟 的散热问题。鹦方面，也w 用于解决国内外的微电子设备的冷却问题，尤其是 褒c u 芯片弱冷却方嚣，将蠢不可毽量的镬场藏景翻缀浚效益。该按零瓣磅发瞧 将附我国大功率激光器、商髓能计算机、微电子、空闻技术及m e m s 簿领域的技 术进步具有重要意义。 1 2 国内外研究发展现状 本文将对蒸发弯月面薄液膜、毛细微糟群热沉单元、以其结构为基础构建的 冷帮系统敷及烹要瘸子诗冀拣帮太魂搴激宠器领域的菇耱冷却技本等凡个方瑟 的研究发展与殿用现状进行简簧套绍。 l ，2 。l蒸发鬻冀嚣薄滚骥鹩谤究摄提 第】啦鳞论 毛细微 蒋群热沉之所以在许多工程技术领域中有巨大的应用价值，其原因在 于该结秘可以列用毛缨力缆液体在沿微横滚动的同射能够在困一液，气三媚接魅线 附近的扩展弯月面区域内形成具有高强庶蒸发能力的簿液膜，从丽轻易实现极高 热流密度的换热目的。翻丽，对薄液膜特别是具有扩胺弯月界碱的薄液膜中的流 动与蒸发特性进 亍深入探讨纛褥十分必要。 1 2 1 1理论模型方面的研究 d e a g u 撼等人i 1 】首先邋过实验观察认识到弯月露在转热传溪过程方面所其 霄的优势，并键出脱离压力的概念，指出存在蒸发液体的流动与蒸发被吸收层所 阻碍的极薄的液膜区域( 即吸收层区域) ，而在大于吸收层厚度的一薄膜区域存 谯缀高豹液体蒸发率( 帮蒸发薄滚骥区域) 。 d e l j a g u n 等人f l l 认为l i l = i 于贴近固体蹙西而导致的应力场变化可阻通过液体 的有效压力即脱离压力的疑化束表达。而脱离压力主要是由范德瓦尔斯弥散力 ( v a nd c rw a 嚣l s 媳p e 璐i o 珏赫 s ) 的影嘲遮藏豹。黢离压力壤念鹊萼 八，使褥界 巅效应和传统热力学理论鼹够很好地缩合起来对蒸发弯月面薄液膜区域的流动 与蒸发特性进行描述。 紧接着d e 巧a g l l 纽等人1 1 】静磋究工俘，鹣t 撼h 积y 珏0 司、w a ”e r 等人 3 】、 r e n k 等人曛m o m 黼和h o m s y f 5 l 、g c l o k 等人嘲以及w a y n e r f 7 l 利用增广( 扩展) 的y o u n g b p l a c c 方程，建立压力突变模型( p r c s s u 坤j u m pm o d e l ) 沫分析接触线 隧域熏蒸发的液汽赛瑟上演汽两捆粒的聪力跃交，对嚣秘不嗣稳况下影残的蒸发 弯月面区域( 接触线区域) 的流动与蒸发特性迸行了丰富的理论和实验研究。 d a s g u p t a 等人1 8 1 清楚地表述了这种压力突变模型中的界面压力突变与脱离压力及 鼍缨压力撵度之阕豹关系： 片一只- 导一旅 ( 1 1 ) ；芬- 一羹，5 媳姗 尝。鲁；一兀，6 ；2 咖 6 ”6 3 1 1 。 ( 1 3 ) 式中，最、戴分赛为波体蓬力巍蒸汽篷力，6 瘫为糕a m 敦e r 鬻数，君蠢厚滚 - 矗性能微槽群相变散热系统的研究 膜的延迟弥散常数( r e t a r d e dd i s p e r s i o nc o n s t a n t ) ，6 ) 为液膜厚度。k 为弯月面曲 率，o 为表面张力，式( 1 1 ) 中右边第一项为脱离压力( 一兀) ，右边第二项为毛细力。 根据以上三式，d a s g u p t a 等人【8 】认为脱离压力实际上一个是依赖于薄膜厚度变化 的分子间作用力场模型，能够用来控制薄液膜区域罩的流动与传热。有关范德瓦 尔斯弥散力和h 砌a k e r 常数的计算及对用上述公式来表达脱离压力的具体限制可 以见之于w a y n er 1 9 ，1 0 1 以及t r u o n g 和w a y n e r 的研究中。 p o t a s h 和w a y n e r l 2 j 最早运用方程( 1 1 ) 模拟扩展弯月面上的蒸发行为。他们将 d e i j a g l l i n 关于脱离压力的概念与他们在一竖直平板上形成的薄液膜中的发现相 结合，对扩展的蒸发弯月面的固有区域( i n t r i n s i cr e g i o n ) 以及蒸发薄液膜区域所 发生的传递过程进行了理论描述，认为二维的蒸发弯月面区域内的流动来自于弯 月面外部形状的变化，同时过热的吸收层薄膜的存在导致了扩展弯月面的非蒸发 区域与蒸发区域之间的平滑过渡。而w a y n e r 等人1 3 】则在分析水平平板上形成的蒸 发薄液膜时，完全强调脱离压力对界面压力突变的贡献，所得到的数值计算结果 表明，接触线区域的平均换热系数在由接触线丌始的很短距离内有从零增长到一 个等于液汽界面换热系数的数值的变化。在对扩展弯月面进行平衡热力学和流体 动力学分析的基础上，w j y n e r 【7 l 基于薄膜轮廓和系统的热物理性质发展了决定流 体流动和界面质量传递相对重要性的准则。 流体力学的润滑理论以及一种类似边界层的近似处理方法被广泛地运用来 描述蒸发弯月面薄液膜中的液体流动动力学特性，例如，在d a s g u p t a 等人1 8 t 1 2 1 3 1 、 h a l l i n a n 等人1 1 4 】、m 和w h y n e r l l5 1 、s u j a n a i i i 和w a y n e r 【l6 1 、r e n k 和w a v n e r 【1 7 1 、 w a y n e r 和s c h o n b e r g i “】的研究工作中。润滑理论能将具有较小斜度的薄液膜区域 罩的液体质量流率与流动方向上的压力梯度很好地联系起来，即 r b ) ；一去63 晏k 】 ( 1 4 ) jy“耳 式中，m ) 为液体质量流率，讷运动粘度，6 为液膜厚度。 除了运用脱离压力和润滑理论之外，也有学者尝试采用不同的模型来描述界 面压力的变化和薄液膜区域的流体动力学行为。例如，w e h n e 和v o u l e l i l 【a s 【1 9 】基 于应用到弯月面上的不可压缩液体稳态流动的b e m o u l l i 方程和楔形流动模型对 二维弯月面上的蒸发换热进行的描述。该模型考虑到了汽液界面的蒸发阻力，但 鹅1 帝绪论 却忽略了在蒸发薄液膜区域脱离压力对汽液界厩两侧压降变化的影响，同时没有 考虑界面压力突变对蒸发质量流量的影响，即k e l v i n 效应。 w a y n e r 等人【3 】开始使用一个k e l v i n c l a p c y m n 方程尝试解决水平薄液膜中平 衡蒸汽压力随温度和脱离压力变化的问题。随后，d a s g u p t a 等人【1 2 】基于w a y n e r 【7 】 提出的k c l v i n c l a p e y m n 方程得到了一种描述蒸发质量流率的模型，该模型认为， 薄液膜弯月面上的蒸发质量流率而是界面温度和压力突变的函数，它的准热力学 表达方程如下： 麻口【瓦一r ) + 6 【最一只)( 1 - 5 ) 式中，巩为液汽界面温度，l 为蒸汽温度，而 一c ( 盖】( 酱) a 怒 m s ， i2 积毛ji 尺瓦瓦j 肘酗。 、7 其中，c 为适应系数( a c c o m m o d a t i o nc o c f f i c i e n t ) ，m 为分子量，m 为液体的摩尔 体积，幽。为温度在时的单位质量蒸发焓。f i s h e r 和i s r a e i a c h v i l i 【2 0 1 实验证实 了在弯月面半径小于某一数值的范围内使用k e l v i n 方程的热力学基础是正确有 效的。结合界面热力学、流体动力学理论以及增广( 扩展) 的y 0 u n g - l a p l a c e 方 程，d a s g u p t a 等人 1 2 l 对水平基板上形成的薄液膜弯月面的理论和实验研究的结果 表明，k c 模型能够精确预测处于平衡状态下的薄液膜弯月面形状，液汽界面的 斜率是热流密度的函数，通过蒸发薄液膜的热流密度和蒸发换热系数强烈地依赖 于薄膜厚度、弯月面曲率以及固体壁面过热度。k c 模型还在r e y e s 和w a y e r l 2 l 】、 w a y n e r 【2 2 j 、s c h o n b e r g 和w h y n 一蜘、h a l l i n 柚等人【1 4 】的研究工作中被广泛应用。 关于液膜沿表面的伸展及其临界热流( c h f ) 问题，w a y n e 一2 4 l 提出了描述固 体基板上一定表观接触角的薄膜运动模型。该模型考虑了表观动态接触角的变化 和过热度的影响，并对两者的影响程度做了比较。研究结果指出，热流密度、接 触线运动速度和局部过热度是表观接触角的函数。w a y i l 一2 4 l 的模型可以用来预测 接近c h f 时的固体壁面局部过热度大小。关于临界热流密度问题的更深入讨论可 以见之于r e y e s 和w j y n e r 【2 5 1 的研究。通过使用不同的算法，他们发展了w a y n e r 【2 4 】 的吸收模型，预测了不同压力下的临界热流时的固体壁西过热度及其变化。 1 2 1 2 实验研究与测量技术 惫鹣辘擞綮群捆燮教热磊鲮辩联究 对于蒸发弯月面微液膜而啬，达到几十倍m w m 2 的巨大热流密度发生在一 个大约为o 1 微米壁缓的冥常微小区域是l 删，使褥进行依赖予测量技术的实验研 究工作变褥j 鬻潮难。哥静静实验研究主娶楚通避使用光学技术手段测量液膜蓐 度进而确定弯月丽的斜率，间接测得表观接触角口的变化，并同时在实验中测定 热流密度积固体糖叛与饱和蒸汽湿度之测的过热度豹变化，探求蒸发驾弼蠢徽液 膜区域的流动与健热特性l s 1 5 ，1 6 0 t 嚣】。例如，为求解增广( 扩展) 的y o u n g - 王丑p l a c e 模型的微观细节，e o o k 等人嗍使用扫描显微光度计( s c a n n i n gm i c r o p h o t o m e t e r ) 测攮了形成予缓斜豹兜涝硅熬叛表委上的完全澜瀑的葵烷豹接皴线鹾域内蒸发 弯月短的轮廓隧蒸发热流密度的变纯情况。在液膜厚度d ) 处于l o - 7 6 0 ) l o _ 5 m 范围内所测得的液膜外形轮廊的实验结果支持薄膜的接触线区域内的流体流动 帮蒸发为薄膜厚度轮薅的变饿掰导致豹理谂骰设。d a s g n 玲媳等人嘲搜愆瀵光式横 瓣偏扳便( n u l le l l i p s o m e 时) 鞠图像分析干涉方法( i m a g e _ a n a l y z i n g i n 拇r f e r o m e l f y ) 测燧到了水平旗板上形成的蒸发弯月谢薄液膜的接触线区域的液膜厚度 摆x ) 麓o 。l 靼m 范豳癍的薄液骥轮麟及其变佬，测量谡差大约受o 。4 矗，实验测量结果 藏示，薄膜外形轮廓是蒸发质麓流率的函数。更加精确越测定薄膜瘁魔及其变纯 有 寺于光学等备种测量技术的进一步发展。黄平等人1 2 9 l 根据干涉法蒸本原理提出 檩砖兜强覆理，范穗继研制蹬量晒￥2 和n g y - 3 型继米缀濑潺骥厚度测量仪，貘 厚测量的分辨率达到o 5 n m ，水平方向盼分辨率分剐为1 5 、1 劬m ，膜厚的测量 范嗣分别为0 3 0 0 n m 和0 0 0 0 l l m ，响应时间小于o 1 m s ，并且具有抗外界光场变 他艉力强等犹点。除了常用瓣光学手段之棼，翅正骞 3 0 l 援出了一种糕髑电阻法测 爨越薄液膜厚度的方法，该方法的测量精度敬决于动态魄阻应变仪的敞大能力， 可以测量微米爨缀的液膜厚度的动态变化。 关一个遥怨注意豹闫题楚，薄滚骥区域毽戆温度测鬃技术。迄今为止，大多 数的实验研究采用贴附或嵌璁于测量区域的热电偶来测蹙接触线区域里固体基 板麟面的温度l 嘛拟“。有所不间的是，r e l i l 【和w h y n e r 【2 8 】采用蒸汽沉积技术将厚 度为l 矿m 、爨嶷必l 。2 7 x l 扩m 、长度为1 2 s x l o - 2 m 鲍薄貘镶毫疆沉积奁簸璃基 板。t 来测量基檄浅面温度，从而减小了测激误差；h 曲m 黼n 和s t e p h a n l “项利用 t l c 液晶热成像技术( 1 r h e 嘶0 c h r o m i cl i q u i d 甜y s 纽1 ) 来对固体基板表i 雨温度进行 了测量，取褥了较好懿实验终鬃。毽l 妻予渡鹣不戆与蜜骚液体握接皴，敖瑟哭能 第l 帮维谚 测得基板背耐的温度分布。签于研究尺艨的细微化，馘前的蒸发弯月面微液膜区 域鲍溢囊测鬟技零港震避步提褰。 一些擎糟也关注对不缝酶液体搿形成的薄滚袋静蒸发挨热戳麟鼹研究。饿 姗，w a v n e f 等人【3 1 l 在对静止的含有其它成份的正乙炕的蒸发薄液臌的接触线区域 鼓蒸发黄熬过程进孬实验磷嶷辩发现，波钵蓥本戏傍的辙，l 、变纯都褥显著改变接 触线区域静蒸发传热特幢。液一汽赛霭t 的蓝率梯糜强黧弛莜赖予蒸发速率戳及 液体的基本成份的变化。浓度和温度梯腋将引起界耐翦应力和流绺，增强接触线 豹稳定。类议的续论逛可激铁鼍臻曼等人1 3 3 i 怼含有少蹩卡疆婉敌葵姨渡转魏接触 线区域蒸发特性的实验研究巾得到。 引起毛细力驱动的抉热设备的工作的不稳定的一个根本原因聊能与蒸发谢 楚嚣籍麦稳繁寮稳关，因褥鸯学者涉及砖蒸菱薄貘鹃不稳定性羲讨论。p 咒融灏 w a v n e f l 雒l 较早地观察封亳纲微孔摹的髓熟酶、蒸发弯露面可能出予存在于蒸发弯 月面的热条件的变化而导数必稳。p m t t 锋人1 2 7 l 在对单孔毛细泵传热装置及传热环 ( 唾露a n 娥fb 睇) 串形藏瓣蒸发毒楚嚣薄骥邈域酶实验毳察孵笈瑰蒸发薄骥 的失稳发源予接触线区域。p f a t t 等人程时弯月面的稳定性进幸亍理谂分裾时，考虑 了对微薄膜隧域附近蒸发激睡的发展方程的长波近 以。该长波发展方程高度非线 性，重稷蒸发、鬻褒基力、表嚣强力骏发热适绥箨蹋鼹影嫡。毽稍得窭戆磅究终 论认为，假如壁面过热廉越过某一幅界僚，任何簸褶的扰动群将开始发展。遮一 临界值依赖予表面张力、脱离压力以朦涔月面曲率。在较低的输入热流情形下薄 羰魏不稳定镁鼹罄襞鞠吃戆换热靛力歪多增强鹅强，嚣当辕入熬滤较褰簿，液 膜的不稳定则将会降低删m 的换热能力。 综上所潍，有关蒸发弯月面微液膜流动与蒸发撩热问题的研巍工作非常串 鑫。堡交予磷宠疆象熬足澄缨畿琵，磐缀考瘩赛嚣效疲、莲德嚣尔簸露数力等分 子闯作用力的影响，以及由尺寸效应弓| 超的包括热力学理论、流渤力学及材料热 物理性质在内的变化，因髓变得非常复杂。现存的器种描述蒸发弯闫面微液麒区 域鼙滚蒋滚动与蒸蓑接热搂鼙骞势骖藏臻进一多发矮。褒育夔备静渡貘浑度秘滋 度测量技术中的测量精度、空间分辨率戳及响应时闼尤其是溺漆传黪器鹃足寸缨 微化程度都嗵特大幅度掇黼，才能满恩l = j 益深入的髓论与实验研蹴的需要。 9 岛程麓赣槽群程叠散热系统翡疆宠 1 2 2 开放式麓细微槽群热沉的研究概、兕 1 2 2 1 理论模麓翘哥 究 歼放式毛细徽稽群热流中的液体存在两萃孛流动行淹。种是在出于潜微槽方 向弯月面的向微槽横截面中心的退缩所引越的微槽轴向穰细压力梯魔豹作用下， 液体沿徽槽轴离方向的流动( 辘淘流动) ；弱一静是在沿微穗轴向流碘携同时， 在微槽横截面方自上，液体程蒸发薄液膜隧域的脱离压力以及蒸发弯月面的形状 变化所引起的嘏细压力作用下，沿微槽鼹侧壁面的向上流动( 切向流动) 。 a y y a s w a m y 等人 蜘最早对牙敞式三角形麓细锻接热沉中的切肉滚动特性进行了 理论掰究，氇们考虑了毛细鹾力但忽略7 脱离压力靛彩响，确定了依籁于微稽几 何形状和液体接触角的流动的摩擦因子系数托为随后的有关毛细微槽热沉中的 流动与传热磺究提供了重要驰理论计算依攥。 差a 和酶渤n 简0 7 0 8 l 对三蹙形毛细 激稽中的轴离流确与徽槽群蒸发捩热的稳嚣影嚼进行了瑷论分析藕实验验证。谴 们认为由于扩展弯月面中的蒸发薄液膜区域以及吸收鼷区域内的流潮阻力远远 丈予固有