两相流中歧管微通道散热器中流型和传热特性的数值研究

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研究背景

    热管理是未来电子产品面临的主要挑战之一。数据生成、通信的指数级增长以及对减小工业系统尺寸和成本的持续推动导致电子设备的功率密度增加。因此，消耗大量能源和冷却剂的冷却对环境产生重大影响，需要开发新技术以实现更可持续的热提取，从而减少冷却剂和能源的需求。在这方面，微通道换热器由于其紧凑的结构和卓越的传热性能，在过去二十年中引起了研究人员的广泛关注。

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研究内容2

   通过在微通道上集成歧管分流器来开发歧管微通道（MMC）散热器，以确保工作流体的均匀分布并缩短流路，如图 1 所示，它与人体内部的血液循环系统非常相似。MMC散热器的早期单相实验和数值研究表明，与传统散热器相比，其泵浦功率要求和热阻显著降低。

图 1.传统微通道（TMC）散热器和歧管微通道（MMC）散热器

   除了MMC测试模块外，图2所示的实验设置与我们之前的研究相同。去离子水用作工作流体，在仓库中加热至沸腾去除不凝性气体。然后，脱气的水流经齿轮泵、质量流量计、由高温浴加热的第一个预热器、第二个电预热器并进入测试模块。在测试模块内部进行单相传热或沸腾过程后，工作流体经冷凝器冷却后流回储罐。

图 2.流动沸腾装置示意图

    如图 3 所示，MMC 测试模块主要由玻璃基盖板、玻璃基歧管板、铜基微通道底块和四个入口/出口模块组成，由于具有韧性和耐高温性，它们由 Somos PerFORM 纳米陶瓷树脂材料 3D 打印而成。通过将玻璃板堆叠在铜基微通道上，水的流路被改变和缩短。

图 3.歧管微通道散热器的原理图

    由三个温度测量点、微通道和歧管通道上方的铜块组成的整个 MMC 散热器被视为一个计算域，如图5 （a）所示。由于歧管隔板和盖板由玻璃制成，其导电性比铜或水小得多，因此被简化为歧管通道的绝热壁。入口和出口边界条件分别具有恒定速度和恒定压力，适用于模拟泵驱动的流动条件。无滑移边界条件应用于所有流体域壁。固体域的底壁是恒定热通量条件，由第 2.2 节中提到的有效热通量计算，而其他实体壁被认为是绝热壁。如第 2.2 节所示，在较高质量通量下，热损失较小，因此仅模拟了 235 kg/m2 s 质量通量下具有不同入口过冷度和热通量的条件。

   图 5.MMC 散热器的计算域和网格划分方案

   图 6 给出了计算域底面的相应温度分布，三个网格分别提供了 383.53 K、380.00 K、379.73 K 的平均基准温度。总温度随着网格数的增加而降低，可以得出结论，细化网格可以提供类似的底面温度分布。然后，采用网格 N = 951,321 进行所有模拟，其相应的网格样本如图 5（b-c）所示。采用具有 2.4 GHz Intel Xeon Gold 6240R、128 G RAM 和 48 个并行处理器的计算节点来实现流沸腾情况，一个情况达到准稳态大约需要 4 天（流动时间超过 5 s）。

图 6.在 qeff = 332.35 kW/m2 、G = 235 kg/m2 s 和过冷度 = 10 K. （单位：mm）时，三种网格划分方案的计算域底面的相应温度分布。

    实验结果和数值结果的沸腾曲线之间的比较如图 7 所示。通过数值方法预测的壁过热度与实验方法的趋势相似。在热通量为 525.38 kW/m2 且入口过冷度为 10 K 的条件下，最大偏差为 2.7 K，这可能是由于局部干涸现象造成的。该数值方法无法捕获干燥区域周围的微层蒸发，因此在较高的蒸汽质量条件下会出现更大的偏差。此外，相对较大的偏差也可能归因于在高热通量下高预测界面温度，因为目前工作中使用了 Lee 模型来加速计算。尽管如此，其他条件下的预测传热结果与实验数据吻合较好。

     此外，在实验和模拟结果中观察到类似的流动模式如图 8 所示。微通道中的有核气泡被冲入出口歧管通道并合并。气泡流主要在微通道中观察到，而受限气泡流和环形流出现在出口歧管通道中。当入口过冷度为 30 K 时，出口歧管通道中的气泡会冷凝并消失。而合并的气泡在 10 K 和 20 K 过冷度以下在出口歧管通道中被限制和拉长。通过数值方法获得整个 MMC 散热器的局部温度分布。由于中间固体区域直接与流体流动进行热交换，因此温度低于周围区域。根据我们之前对 Z 型 MMC 模块中流动场和热场的模拟，出口附近的微通道中出现了更高的质量通量和传热系数。因此，局部壁温较低。相应地，正如在实验和仿真结果中观察到的那样，入口附近微通道中的高温壁和低质量通量会导致更多的有核气泡。

    总体而言，实验和数值结果彼此吻合良好，这证明了我们的实验和数值方法的正确性。除了热通量为 525.38 kW/m2 和入口过冷度为 10 K 下的壁过热度外，实验数据与数值数据之间的偏差小于 10 %。

图 7.G = 235 kg/m2 s 时沸腾曲线的实验和数值结果比较

图 8.G = 235 kg/m2 s 时流型的实验和数值结果比较。

    图9 给出了不同过冷度和热通量 qeff = 544.83 kW/m2 下的相分布和底壁温度的相应数值结果。随着过冷度数的降低，气泡开始成核、生长和从最后几个微通道分离，由于局部和高效的有核沸腾传热，导致整体传热性能和温度均匀性得到改善。相反，随着微通道内蒸汽分数的增加，微通道左上角的蒸汽气泡积聚对热性能的影响更为显著。图9（a2）（b2）（c2）说明了入口侧垂直方向上温度越来越明显的不对称分布，这可以归因于部分干涸和入口和出口歧管。此外，在高热通量下，微通道内的逆流会导致气泡流回入口歧管，如图9（b）、（c）所示。然而，较高的过冷度可以缓解流动沸腾的不稳定性。平均传热系数的温度均匀性对于保证电子设备的耐用性起着至关重要的作用。在本研究中，我们将三个温度测量点所在的计算域的底壁定义为加热壁。为了研究温度均匀性，我们检查了底壁的最大温差。如图 8 所示，中间固体区域的温度低于周围区域，最高温度位于固体区域的拐角处。

图 9.（答 1）（乙 1）（c1）在 qeff = 544.83 kW/m2 和 G = 235 kg/m2 s 时，固体温度、流型和（a2）（b2）（c2）加热壁温度与入口过冷度的关系（单位：mm）。

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结论

     在本研究中，进行了过冷流动沸腾实验和数值模拟，以研究 MMC 散热器的热性能。通过比较实验和数值结果验证了数值方法的有效性。进行了高速流动可视化和仪器测量，并将模拟结果相结合，以说明热通量、质量通量和入口过冷度对流型和传热特性的影响。主要结论总结如下：

1. G = 235 kg/m2 s 时底部加热壁最大温差的数值结果。MMC 散热器中的流型特性与传统的微通道散热器不同。由于增加了歧管分流器，入口流被分成许多“短路径”微通道。有核和生长的气泡不会在微通道中被限制和拉长，从而最大限度地减少了反向流动问题。此外，MMC 散热器中成核的气泡将被推入出口歧管通道，从而为不断增长的气泡提供更大的空间。由于膨胀通道效应，不断增长的气泡很容易分离和去除。

2. 出口歧管通道中的气泡将在入口过冷度 = 10 K，qeff = 332.35 kW/m2 时合并并被歧管通道侧壁限制。因此，细长的气泡流和环形流发生在歧管通道中。由于微通道中的气泡流和歧管通道中的环形流，传热机制可以被认为是核沸腾和对流蒸发的组合。但由于本研究中使用了玻璃基歧管分流器，歧管通道中的热传导可以忽略不计，因此热传递主要归因于微通道中的核沸腾。

3. 两相传热系数随热通量的增加而增加，但随质量通量保持不变，在 G = 235 kg/m2 s 时可以达到比相应的单相传热系数高 2.3 倍，而压降是单相的 1.91倍。在单相和两相条件下，温差随热通量线性增加。沸腾开始后，壁温均匀性得到改善。

4. 目前的研究证明了我们在研究两相 MMC 散热器方面的实验和数值方法的正确性。总体而言，实验和数值结果吻合较好，最大温度偏差小于 2.7 K，这证明了我们的实验和数值方法的正确性。进一步的研究涵盖更多的结构布置、结构参数、工作流体、改性表面和工作条件