梅響，姚元鵬，2，吳慧英

（1 上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2 諾丁漢大學(xué)工程學(xué)院，英國(guó) 諾丁漢 NG7 2RD）

隨著集成電路（IC） 和微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的快速發(fā)展，單個(gè)電子芯片上可能集成數(shù)百億個(gè)納米級(jí)晶體管，由此引起的芯片運(yùn)行溫度高將導(dǎo)致其可靠性迅速惡化。帶連通結(jié)構(gòu)微通道的流動(dòng)沸騰換熱在高熱流密度芯片熱管理方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，近年來受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)微通道不同，通道間連通結(jié)構(gòu)可增加氣化核心，促進(jìn)兩相混合，可顯著增強(qiáng)微通道換熱性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)連通結(jié)構(gòu)強(qiáng)化微通道流動(dòng)沸騰的傳熱傳質(zhì)機(jī)理展開了諸多研究。Jiang等首次研究了連通微通道流動(dòng)換熱，其中微通道系統(tǒng)由18 條水力直徑為150μm的平行流道和5條寬度為100μm的橫向流道組成。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于非均勻加熱的單相流動(dòng)，流體的橫向運(yùn)輸和混合使芯片具有良好的均溫性。在其研究基礎(chǔ)上，Cho 等進(jìn)一步開展了連通微通道流動(dòng)沸騰換熱研究。結(jié)果表明，連通結(jié)構(gòu)可最大限度地減小通道間流量不均勻分布對(duì)冷卻性能的影響，系統(tǒng)具有更好的均溫性。Xu 等通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法研究了連通微通道內(nèi)單相和兩相流動(dòng)換熱。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于單相流動(dòng)，熱邊界層的周期性再發(fā)展，極大地提升了微通道的換熱性能；對(duì)于兩相流動(dòng)，初始孤立汽泡在連通區(qū)域生成，流體流動(dòng)分為三個(gè)階段：周期性充液、分層流動(dòng)和蒸汽交替流動(dòng)。Megahed在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)汽泡在連通區(qū)域成核并迅速生長(zhǎng)，連通結(jié)構(gòu)增加了成核位點(diǎn)，使微通道表面溫度分布更均勻。連通結(jié)構(gòu)也可改變液膜分布，從而達(dá)到強(qiáng)化換熱的效果。湯宇軒等采用間斷的方式將波紋微通道連通，該連通微通道在核態(tài)沸騰區(qū)促進(jìn)了汽泡核化，同時(shí)在對(duì)流沸騰區(qū)及時(shí)地為液膜蒸發(fā)供液，使液膜處于連續(xù)發(fā)展階段，增強(qiáng)了微通道的換熱性能。黨超等提出具有內(nèi)部連通區(qū)域的微通道結(jié)構(gòu)，沿通道長(zhǎng)度方向每隔30mm 設(shè)置一個(gè)寬度為10mm 的內(nèi)部連通區(qū)域。該結(jié)構(gòu)促進(jìn)了連通區(qū)域兩相流的混合，實(shí)現(xiàn)了下游液膜的再形成，減小液膜內(nèi)的溫度梯度，降低液膜蒸發(fā)阻力，從而提升了微通道的換熱特性。

連通結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)也對(duì)微通道流動(dòng)沸騰傳熱性能有很大影響，當(dāng)連通結(jié)構(gòu)尺寸為幾十微米時(shí)，可進(jìn)一步提升微通道流動(dòng)沸騰換熱特性。Ma 等和Huang 等設(shè)計(jì)了連通結(jié)構(gòu)尺寸為20μm 的連通微通道，發(fā)現(xiàn)連通區(qū)域能帶來核化位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了通道下游區(qū)域在高熱流密度下的快速周期性再潤(rùn)濕，進(jìn)而有利于維持和增強(qiáng)核態(tài)沸騰。Cheng和Wu設(shè)計(jì)了連通結(jié)構(gòu)尺寸為20μm和40μm的連通微通道。研究發(fā)現(xiàn)，無連通結(jié)構(gòu)微通道由于流體流動(dòng)分布不均，通道間同時(shí)出現(xiàn)各種不規(guī)則流型；而連通微通道具有高度規(guī)則的液膜再發(fā)展和環(huán)狀流動(dòng)交替現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了核態(tài)沸騰的快速發(fā)生，傳熱系數(shù)得到了顯著提升。

從以上文獻(xiàn)分析可以看出，帶連通結(jié)構(gòu)的微通道具有優(yōu)越的換熱特性，尤其當(dāng)連通結(jié)構(gòu)尺寸為幾十微米時(shí)，可實(shí)現(xiàn)規(guī)律性的汽泡生成及脫離，從而維持高度活躍的核態(tài)沸騰；而連通結(jié)構(gòu)尺寸較寬的微通道和其他強(qiáng)化換熱方式在這一方面并沒有表現(xiàn)出很強(qiáng)的有效性。然而，受限于實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段，小尺度連通微通道強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的機(jī)理還待進(jìn)一步研究，該尺度下的支流通道傾角對(duì)強(qiáng)化換熱的影響也鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，這限制了小尺度連通微通道的實(shí)際應(yīng)用。因此，本文基于流體體積函數(shù)（VOF）方法，構(gòu)建連通結(jié)構(gòu)尺寸為40μm 的連通微通道（兩個(gè)平行主通道由一個(gè)支流通道連通）物理模型，系統(tǒng)研究支流通道內(nèi)核化汽泡的生成及脫落規(guī)律，脫落汽泡對(duì)局部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響，以及連通結(jié)構(gòu)對(duì)微通道流動(dòng)沸騰換熱特性的影響，旨在探究小尺度連通微通道強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的傳熱傳質(zhì)機(jī)理以及支流通道傾角對(duì)強(qiáng)化流動(dòng)沸騰換熱的影響規(guī)律，為高熱流芯片熱管理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值模型

1.1 VOF多相流模型

為模擬連通微通道內(nèi)兩相流動(dòng)，本文采用VOF 多相流模型。該模型中的流體共用一套動(dòng)量方程，通過計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格單元中各相的體積分?jǐn)?shù)，追蹤非混流體的相界面。對(duì)于兩相流動(dòng)，液相和氣相的連續(xù)性方程如式(1)、式(2)所示，液相和氣相共用的動(dòng)量方程、能量方程如式(3)、式(4)所示，VOF體積分?jǐn)?shù)方程如式(5)所示。

式中，和分別為液相和氣相的體積分?jǐn)?shù)，二者之和恒為1；和分別為液相和氣相的密度；、、分別為液相質(zhì)量源項(xiàng)、氣相質(zhì)量源項(xiàng)和能量源項(xiàng)；為熱導(dǎo)率；為體積表面張力；密度和黏度由式(6)、式(7)給出。

1.2 相變模型

為模擬微通道內(nèi)流動(dòng)沸騰現(xiàn)象，需選用合適的相變模型。基于VOF 的相變模型主要有界面熱阻模型、銳利界面模型、相界面溫度恢復(fù)模型等。但上述模型需要在初始化時(shí)添加相界面，當(dāng)流體區(qū)域?yàn)榧円合鄥^(qū)域時(shí)，不會(huì)發(fā)生相變。鑒于此，本文采用Lee 等提出的經(jīng)驗(yàn)速率相變模型，該模型可在高于飽和溫度的純液相流體區(qū)域發(fā)生相變。相變模型中液相質(zhì)量源項(xiàng)和氣相質(zhì)量源項(xiàng)如式(8)～式(11)所示，能量源項(xiàng)由式(12)給出。

蒸發(fā)（）

冷凝（）

式中，和分別為流體溫度和工質(zhì)的飽和溫度（373.15K）；為液相汽化潛熱；和為松弛因子，在本文研究中，==100s。

2 物理模型及求解方法

2.1 物理模型

圖1給出了兩相同的平行主通道由一個(gè)支流通道連通的連通微通道物理模型。主通道長(zhǎng)度=20mm，寬度=400μm，支流通道寬度=40μm，支流通道中心距入口距離=3.6mm，支流通道相對(duì)主通道的傾角=30°～90°。工質(zhì)物性參數(shù)如表1所示，其中假定計(jì)算過程中液相和氣相的各項(xiàng)物性參數(shù)保持不變。

表1 液相和氣相的物性參數(shù)

圖1 連通微通道物理模型

2.2 邊界條件及數(shù)值求解

微通道入口為均勻速度條件，對(duì)應(yīng)的入口質(zhì)量流量=500kg/(m·s)，入口溫度=368.15K；出口為壓力出口條件（相對(duì)壓力=0）；壁面為定熱流邊界條件，主通道熱流密度=5W/cm，支流通道熱流密度=20W/cm，此外考慮了壁面速度無滑移條件假設(shè)。

基于有限體積法求解控制方程，采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度的耦合，采用二階迎風(fēng)格式離散動(dòng)量和能量方程，體積分?jǐn)?shù)方程求解選用Geo-Reconstruct算法，并基于顯式VOF格式，體積分?jǐn)?shù)方程Courant 值截止值為0.25。非定常項(xiàng)采用一階隱式格式離散，將絕熱定常流動(dòng)的收斂結(jié)果作為過冷流動(dòng)沸騰模擬的初始條件。此外，時(shí)間步長(zhǎng)為10～10s，動(dòng)量方程和連續(xù)性方程的收斂準(zhǔn)則設(shè)為10，能量方程的收斂準(zhǔn)則設(shè)為10，使全局Courant數(shù)保持在1.0。

2.3 當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)

當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)h通過式(13)計(jì)算。

式中，為壁面熱流密度；T為壁面局部溫度；為工質(zhì)進(jìn)口溫度。

2.4 網(wǎng)格無關(guān)性及數(shù)值模型驗(yàn)證

通過ICEM 軟件劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中在靠近通道壁面處添加邊界層網(wǎng)格，連通區(qū)域網(wǎng)格局部加密。通過四種網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，網(wǎng)格單元數(shù)量（）分別為84500、131600、191800 和243600。=45°時(shí)，主通道壁面平均傳熱系數(shù)隨的變化如圖2(a)所示。圖2(b)為=4.89ms 時(shí)，不同時(shí)上方主通道內(nèi)的汽泡界面輪廓線。由圖2 可知，采用第三種網(wǎng)格（=191800）可在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)節(jié)省計(jì)算資源。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

Prajapati 等通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究了=30°的連通微通道過冷流動(dòng)沸騰，該微通道的主通道尺寸與本文相同，且通道結(jié)構(gòu)與本文研究相似，宜用于本文數(shù)值模型驗(yàn)證。通過本文數(shù)值模型計(jì)算上述文獻(xiàn)中的過冷流動(dòng)沸騰，主通道當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)的計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（壁面溫度以及通道內(nèi)氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)）時(shí)，盡管微通道下游兩相流動(dòng)的非定常變化導(dǎo)致入口段（0mm<<5mm）計(jì)算結(jié)果具有一定偏差，但通道絕大部分區(qū)域計(jì)算結(jié)果與Prajapati 等的研究基本吻合；同時(shí)，本文支流通道內(nèi)核化汽泡在脫落過程中，汽泡界面溫度基本維持在飽和溫度，這較好地驗(yàn)證了本文數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

圖3 通道當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)的分布

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 連通微通道內(nèi)兩相流動(dòng)及傳熱

由于=45°的連通微通道具有一般代表性，本節(jié)將以該連通微通道為例，分別系統(tǒng)研究支流通道中汽泡的生成及脫落動(dòng)力學(xué)行為，脫落過程中連通微通道局部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的變化以及支流通道對(duì)主通道換熱特性的影響。

圖4基于相分布展示了一個(gè)周期內(nèi)汽泡生成及脫落的演變過程。=0 時(shí)，由于支流通道內(nèi)液相流速慢（近乎滯止?fàn)顟B(tài)），易過熱，支流通道成為核化汽泡的密集產(chǎn)生區(qū)域，生成了多個(gè)微小汽泡。=1.37ms時(shí)，微小汽泡相互聚并融合，以致支流通道基本被氣相填充。=3.04ms 時(shí)，核化汽泡不斷生長(zhǎng)、聚并，所生成的大汽泡在主通道液相的沖刷下發(fā)生斷裂，下方汽泡脫落至主通道。=4.21ms 時(shí)，下方主通道液相受毛細(xì)力作用流入支流通道，過熱發(fā)生相變，同時(shí)延伸至上方主通道的過熱汽泡加熱周圍液相發(fā)生相變，上方汽泡持續(xù)膨脹拉伸；下方脫落汽泡受表面張力作用，恢復(fù)成圓形并流向下游。=4.89ms時(shí)，在主通道液相的沖刷及支流通道內(nèi)液相的擠壓下，上方汽泡與支流通道完全分離，脫落至主通道。以汽泡斷裂為分界點(diǎn)，可將上述整個(gè)汽泡動(dòng)力學(xué)行為分成氣相生成融合階段和汽泡脫落階段前后兩個(gè)階段。

圖4 汽泡的生成及脫落

以上方汽泡脫落過程為例，圖5展示了支流通道內(nèi)汽泡進(jìn)入主通道到汽泡脫落過程中的局部速度云圖、溫度云圖。由速度云圖發(fā)現(xiàn)，主通道內(nèi)液相流經(jīng)支流通道時(shí)，通過汽泡上端緣與上壁面之間的空間流向下游，流動(dòng)空間減小導(dǎo)致汽泡附近液相流速升高，汽泡對(duì)流場(chǎng)起到顯著的擾動(dòng)作用。汽泡脫落時(shí)刻，汽泡上端緣與壁面間的距離最小，汽泡對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)最為劇烈，導(dǎo)致在汽泡后端出現(xiàn)尾渦。進(jìn)一步觀察溫度云圖可知，支流通道壁面持續(xù)加熱汽泡并將熱量向外傳遞，汽泡內(nèi)的溫度分布呈現(xiàn)左下方溫度高，右上方溫度稍低的特點(diǎn)；同時(shí)可見過熱汽泡周圍的過冷液相受熱發(fā)生相變，汽泡持續(xù)增大。

圖5 汽泡脫落過程中的局部速度云圖、溫度云圖

圖6為支流通道上方汽泡臨界脫落時(shí)刻主通道上壁面局部溫度、當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)分布及對(duì)應(yīng)的速度云圖。支流通道脫落汽泡對(duì)主通道沿程換熱特性產(chǎn)生顯著影響，壁面溫度及當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)分布特性沿流動(dòng)方向可分段分析。在=0～1mm 段，主通道液相沿流動(dòng)方向被熱壁面加熱，溫度逐漸升高，同時(shí)壁面附近熱邊界層逐漸發(fā)展增厚，邊界層內(nèi)熱阻增大，通道壁面溫度迅速升高，根據(jù)式(13)，靠近入口的當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)迅速下降。在=1～4.5mm段，下游汽泡對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用影響到這一區(qū)域，破壞了熱邊界層，盡管沿流動(dòng)方向液相平均溫度升高，但熱邊界層變薄使得傳熱溫差減小，壁面溫度下降。其中，在=1～3.6mm 段，流場(chǎng)擾動(dòng)作用相對(duì)較弱，壁面溫度存在小幅度下降，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)提升??；在=3.6～4.5mm 段，汽泡與通道上壁面的間距減小，流場(chǎng)擾動(dòng)作用強(qiáng)烈，壁面溫度迅速下降，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)大幅提升。在=4.5～4.75mm 段，汽泡右端存在尾渦區(qū)，此區(qū)域在汽泡脫落過程中流動(dòng)性弱，局部液相溫度升高，同時(shí)熱邊界層變厚，傳熱溫差增大，壁面溫度迅速升高，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)大幅下降。在=4.75～5.5mm段，此區(qū)域在尾渦區(qū)后部，由于流體微團(tuán)的混合作用，對(duì)流得以增強(qiáng)，壁面溫度下降，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)相應(yīng)升高。在=5.5～6mm段，汽泡對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用效果基本消失，與=0～1mm 段傳熱機(jī)理類似，壁面溫度逐漸升高，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)沿流動(dòng)方向逐漸降低。在=6mm往后，熱邊界層未完全發(fā)展，其厚度沿流動(dòng)方向變化較小，因此壁面溫度變化不顯著，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)亦無明顯變化。

圖6 壁面局部溫度、傳熱系數(shù)分布及對(duì)應(yīng)速度云圖

為進(jìn)一步探究連通結(jié)構(gòu)對(duì)微通道整體換熱特性的影響，圖7展示了通道內(nèi)流動(dòng)達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)（即上方主通道平均傳熱系數(shù)達(dá)到最大時(shí)刻），上下主通道當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)（傳熱系數(shù)取主通道雙側(cè)壁面平均值）的分布，同時(shí)給出該時(shí)刻通道內(nèi)汽泡的分布情況。據(jù)汽泡分布圖可見，由于支流通道右傾，上下主通道的汽泡分布情況不對(duì)稱，汽泡主要集中在上方主通道，且呈彈狀間隔分布。由傳熱系數(shù)分布圖可見，與無連通結(jié)構(gòu)微通道當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)相比，在支流通道附近（3.6mm<7.5mm），汽泡脫落對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)作用促進(jìn)了通道熱邊界層再發(fā)展，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)顯著提升。在通道后半段（7.5mm），得益于脫落汽泡與壁面間薄液膜的蒸發(fā)效應(yīng)，傳熱系數(shù)也有一定提升，且傳熱系數(shù)的峰值點(diǎn)位置與汽泡分布相關(guān)性明顯，最大傳熱系數(shù)分布在汽泡尾部附近。通過加權(quán)平均計(jì)算可知，與無連通結(jié)構(gòu)通道相比，連通微通道上方主通道傳熱系數(shù)提升27.94%，下方主通道傳熱系數(shù)提升7.50%。上方主通道傳熱提升更顯著是由于上方汽泡的脫落尺寸更大，汽泡脫落過程中對(duì)主通道流場(chǎng)擾動(dòng)更強(qiáng)，同時(shí)在汽泡流向下游的過程中，汽泡與壁面間的液膜更薄，液膜蒸發(fā)效應(yīng)亦更強(qiáng)。

圖7 主通道傳熱系數(shù)分布及對(duì)應(yīng)汽泡分布

3.2 支流通道傾角對(duì)兩相流動(dòng)傳熱的影響

圖8(a)為不同下，支流通道上方汽泡臨界脫落時(shí)刻通道上壁面當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)分布。圖8(b)給出該時(shí)刻汽泡與壁面間距和汽泡與支流通道中心距離隨的變化。由圖可見，不同的連通微通道，其當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)變化趨勢(shì)相同，但變化幅度不同。支流通道右端的當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)極值點(diǎn)位置與相關(guān)：隨著的增加，減小，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)的極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)的位置均隨著的增加發(fā)生前移。此外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)極值點(diǎn)大小與受影響的流場(chǎng)擾動(dòng)程度有關(guān)：=45°時(shí)，最小，對(duì)應(yīng)流場(chǎng)的擾動(dòng)最劇烈，汽泡左端熱邊界層破環(huán)程度亦更高（邊界層熱阻?。瑢?dǎo)致壁面溫度更低，故當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)極大值比其他下的極大值更高；同時(shí)，由于=45°時(shí)汽泡右端尾渦區(qū)（該區(qū)域流動(dòng)性弱，局部液相溫度升高，同時(shí)熱邊界層變厚，傳熱溫差增大，相應(yīng)壁面溫度升高）更大，故當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)極小值比其他下的極小值更低。

圖8 不同θ下當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)的分布及對(duì)應(yīng)δ和l隨θ的變化

以=30°、45°、60°、90°為例，圖9 給出了上方主通道平均傳熱系數(shù)達(dá)到最大時(shí)（90°微通道具有對(duì)稱性，圖中為下方主通道平均傳熱系數(shù)達(dá)到最大），連通微通道的上、下主通道當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)分布及通道內(nèi)汽泡的分布圖。當(dāng)=30°、45°、60°時(shí)，上、下通道傳熱系數(shù)相較于無連通結(jié)構(gòu)微通道，均有所提高，且上通道的提升程度高于下通道，這是由于支流通道產(chǎn)生的汽泡多數(shù)分布在上方通道（相應(yīng)擾流和強(qiáng)化傳熱作用更強(qiáng)）。但=90°時(shí)，由于通道的對(duì)稱性，上下通道內(nèi)汽泡尺寸及分布基本相同，其傳熱系數(shù)提升相當(dāng)。由汽泡分布圖可見，=30°時(shí)，由于上方通道內(nèi)汽泡膨脹拉伸長(zhǎng)度最大，脫落后的汽泡在有限長(zhǎng)度微通道中無法演變成彈狀流態(tài)；當(dāng)=90°時(shí)，汽泡呈圓狀分布。故這兩種工況下，汽泡與壁面間的液膜更厚，熱阻更大，液相蒸發(fā)速率更低，使得主通道傳熱系數(shù)提升較少。在=45°和=60°時(shí)，一方面發(fā)現(xiàn)，支流通道脫落汽泡對(duì)局部流場(chǎng)的擾動(dòng)強(qiáng)，支流通道附近主通道壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)提升更大；另一方面發(fā)現(xiàn)，上方主通道后端的汽泡均呈彈狀分布，汽泡與壁面間的液膜更薄。因此，這兩種工況下傳熱系數(shù)提升更大。

圖9 四種θ下主通道傳熱系數(shù)分布及對(duì)應(yīng)汽泡分布

通過加權(quán)平均計(jì)算各下一個(gè)脫落周期內(nèi)整個(gè)微通道的平均傳熱系數(shù)，結(jié)果如表2所示。可見與無連通結(jié)構(gòu)微通道的傳熱系數(shù)相比，連通結(jié)構(gòu)使整個(gè)通道的傳熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)了10.51%～17.66%的提升。且=45°時(shí)傳熱強(qiáng)化最突出，上方主通道傳熱系數(shù)提升26.51%，下方主通道傳熱系數(shù)提升8.81%，整體傳熱系數(shù)提升17.66%。

表2 微通道傳熱系數(shù)

4 結(jié)論

本文基于VOF 多相流模型，對(duì)連通微通道內(nèi)過冷流動(dòng)沸騰進(jìn)行了二維非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，研究不同下汽泡的發(fā)展及脫落規(guī)律、連通結(jié)構(gòu)對(duì)主通道換熱特性的影響，得到以下結(jié)論。

（1）支流通道內(nèi)液相過熱后產(chǎn)生汽泡并脫落至主通道，以汽泡斷裂為分界點(diǎn)，該過程中的汽泡動(dòng)力學(xué)行為分成氣相生成融合階段和汽泡脫落階段前后兩個(gè)階段。

（2）流場(chǎng)擾動(dòng)導(dǎo)致的熱邊界層再發(fā)展和脫落汽泡與熱壁面間的薄液膜蒸發(fā)導(dǎo)熱是連通微通道強(qiáng)化流動(dòng)沸騰傳熱的主導(dǎo)機(jī)制。

（3）影響脫落汽泡對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)程度。=45°時(shí)，流場(chǎng)擾動(dòng)最強(qiáng)，當(dāng)?shù)貍鳠嵯禂?shù)極大值比其他下的極大值更高。

（4）得益于汽泡脫落時(shí)的擾流作用以及脫落汽泡與壁面間薄液膜的蒸發(fā)導(dǎo)熱，不同的下，整個(gè)通道的傳熱系數(shù)實(shí)現(xiàn)了10.51%～17.66%的提升（上方主通道最高傳熱系數(shù)提升可達(dá)27.94%）。=45°時(shí)，連通微通道具有最佳的換熱性能。

c—— 定壓比熱容，J?kg?K

—— 支流通道寬度，μm

—— 體積表面張力，N?m

—— 質(zhì)量流量，kg?m?s

—— 重力加速度，m?s

—— 支流通道中心距入口距離，mm

—— 氣化潛熱，kJ?kg

h—— 當(dāng)?shù)貙?duì)流傳熱系數(shù)，W?m?K

—— 熱導(dǎo)率，W?m?K

—— 通道長(zhǎng)度，mm

—— 汽泡與支流通道中心距離，mm

—— 網(wǎng)格單元數(shù)量

—— 壓力，Pa

—— 熱流密度，W?m

—— 質(zhì)量源項(xiàng)，kg?m?s

—— 能量源項(xiàng)，W?m

—— 溫度，K

—— 時(shí)間，s

—— 速度矢量，m?s

—— 通道寬度，μm

—— 體積分?jǐn)?shù)

—— 汽泡與壁面間距，mm

—— 松弛因子，s

—— 動(dòng)力黏度，Pa?s

—— 密度，kg?m

—— 支流通道與主通道夾角，（°）

—— 軸向坐標(biāo)，mm

ave—— 平均

inlet—— 入口

l—— 液相

sat—— 飽和狀態(tài)

v—— 氣相