文 献 综 述
研究背景及意义
近年来，随着科学技术的迅猛发展，电子、机械等行业的设备呈现小型化、集成化、高效化的发展趋势，传统的散热设备已逐渐不能满足其散热需求。微通道流动沸腾传热由于其结构紧凑、换热效率高、壁温分布均匀性好等优点在众多换热方式中脱颖而出[1]，并广泛应用于微电子冷却、人造卫星、航空航天、先进核反应堆、混合动力汽车和热能工程等领域[2]。微通道流动沸腾过程中伴随有大量汽泡的形成、生长和运动等复杂行为，汽泡动力学行为对沸腾传热特性有着显著的影响，是沸腾传热研究的一个重要切入点和研究内容。广大科研工作者在了解微通道内流动沸腾过程中的汽泡动力学[3, 4]、流型转换[5,6]和换热机理[7–9]方面已经做了大量的工作。然而，微通道内流动沸腾过程中汽泡行为与传热特性之间的内在联系尚不清楚，有待进一步研究。
本文将就目前国内外对微通道流动沸腾汽泡动力学特性的研究作一综述，以便读者对其有一大致了解。
国内外研究现状
在微通道流动沸腾中，汽泡的成核，生长和流型发展受通道横截面的影响很大，而这种物理现象背后的沸腾机理远未得到充分确立。J.Li和P.Cheng[10]利用数值模拟的方法研究了微通道尺寸，质量流量和热通量对微通道中汽泡行为的影响。拓展了众所周知的汽泡腔生存的概念，介绍了经典的成核动力学，研究了硅微通道中汽泡的核化。提出了微细通道内初沸过程中质量流量对热通量和温度分布的影响。实验表明，大流量可以抑制微通道中的汽泡产生。
可视化实验主要是应用高速摄影仪通过拍照片获得数据，从而分析气泡的运动特性。虽然可视化方法存在一定的缺陷，即实验结果只能获得二维的数据，无法获得三维的图像数据，但其最主要的优势便是数据直观，不仅可以研究气泡行为的细节，还可以研究气泡的产生及变形等瞬态特性，且其对流场无干扰。许多学者利用可视化技术研究了微通道流动沸腾中不同的汽泡行为及其影响因素。陈德奇[11]等拟合出汽泡生长的指数曲线。研究发现，拟合指数曲线可较好地预测窄流道内汽泡生长，拟合指数曲线的系数K和n值与传统大流道的情况有较大区别。窄空间内流动沸腾的汽泡生长与大流道相比呈现出更为强烈的不规则性，连续两个汽泡的生长时间和生长速度都有较大的不同。在本实验参数范围内，不管是变流量还是变热流密度，流速和热流密度的变化对汽泡生长的影响很小。Wang和Sefiane[12]进行了一系列实验，研究了微尺度空间中受限汽泡的行为。用可视化方法得到了汽泡生长过程中的几何演变过程，发现汽泡几何形状的演变与通道横截面的几何形状密切相关，但受热通量或质量通量的影响很小。汽泡等效半径在临界时间前呈线性增加，超过临界时间后增长为指数增长，临界时间受热流和质量流条件的影响。Bogojevi等[13]以去离子水为工质，研究了平行矩形微通道流动沸腾过程中的汽泡动力学，使用显微镜和高速相机研究了过冷沸腾和饱和沸腾条件下的汽泡生长速率和脱离直径。实验研究结果表明，微通道内汽泡的生长速率与宏观尺度通道内不同，微通道的限制和通道之间的相互作用导致微通道中独特的汽泡动力学。球形汽泡的生长经历了3个阶段，当汽泡到达通道壁附近的过热液体时，汽泡的生长加速。
通过对微通道汽泡受限和汽泡拉长等行为的实验研究，Yin等[14–18] 采用最大局部空隙率和汽泡长径比两个汽泡形状参数来描述汽泡变形特征，揭示汽泡生长过程中通道约束的开始。认为微通道限制作用是通过在不断增大的汽泡的顶部界面上施加壁限制力来实现的。运行工况对气泡受限过程的影响直接体现为气泡生长速度对气泡受限过程的影响，气泡生长速度越快，越早达到气泡受限起始以及高度方向完全受限状态。在汽泡顶端界面向限制壁面推进的过程中，推进速度与受到的壁面限制力之间存在负反馈效应，导致出现振荡现象。顶部界面的速度和壁的约束力之间的负反馈是在有限的汽泡生长期间最大局部空隙率和汽泡长宽比增加的主要原因。自由生长期的气泡增长率远小于受限生长期的气泡增长率，并且两者都随着质量流量的减少和入口过冷度的增加而增加。确定了两种汽泡增长模型：初始增长阶段的幂律模型和后期的线性律模型。发现热通量对微通道中流沸腾的整体传热性能有很大的影响，但是质量通量的影响要小得多。发现当汽泡脱离直径大于微通道横截面时，微通道壁会限制汽泡在汽泡高度方向上的生长，甚至在液-气界面接触微通道壁之前，也会导致汽泡顶部界面发生强烈变形。经过对比实验发现自由生长期的汽泡增长率远小于受限生长期的汽泡增长率，并且随着汽泡大小的增加，受限前汽泡的增长率下降而伸长率增加。此外，他们提出开放式微通道为汽泡膨胀提供了额外空间，能够很好地抑制汽泡逆流和降低流动不稳定性。
作用在密闭汽泡的壁-液和液-汽界面上的不同力的相对作用在传热性能中起着重要作用。因此，必须进行基础研究以开发增强的微通道传热表面。TamannaAlam等[19]基于理论，实验和可视化研究，对流动沸腾硅纳米线微通道中的成核汽泡和汽泡动力学进行了力分析。已经确定了不同力对硅纳米线微通道中流态，流失的不稳定性和传热性能的相对影响。但是，迄今为止，尚未对不同的表面性能进行比较研究。基于流动沸腾微通道中的力分析，进行了硅纳米线和平壁微通道之间的对比研究。对比发现，与平壁微通道相比，表面复湿和临界热流密度（CHF）的增强是由于液-汽界面的表面张力较高和硅纳米线造成的毛细管优势所致。
黄莹等[20] 从大容积沸腾出发，为了研究沸腾时汽泡生成及运动的规律，设计了一套沸腾条件下汽泡产生和运动可视化实验台装置，从单个沸腾汽泡的产生出发，研究不同热流密度和水温过冷度对汽泡行为的影响。通过实验得到了不同条件下的汽泡周期和脱离直径的变化规律，发现汽泡的产生周期随加热功率的增大而减小，汽泡的脱离直径随加热功率的增大而增大。
总结
从上可以看出，微通道内的流动沸腾换热特性非常复杂，影响因素众多，其中汽泡的快速膨胀是造成流动沸腾不稳定和汽泡逆流的主要原因。而目前，不同学者之间的结论在很大程度上还难以统一，还需要作进一步的研究。从这些学者的研究成果可以看出，微尺度下的沸腾传热具有许多不同于常规尺度下的特点和规律，微通道中的汽泡行为与常规通道中也明显不同，要探索微通道内的汽泡行为及其影响因素是一项艰巨的任务。
参考文献
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