第1章 绪论
　　随着气候变化带来的能源和环境压力日益增加，减少能耗和降低碳排放已成为全球面临的共同任务。因此，优化工业设备的传热性能是实现节能减碳目标的重要途径之一。纳米流体作为一种新型的传热工质，具有优异的导热性能和流变特性。相比传统的传热工质，纳米流体具有更高的导热系数、更好的稳定性、更强的对流传热效果以及可降低对设备的磨损并防止堵塞。对混合纳米流体的研究结果也显示出其比一元纳米流体更优异的热物性质，能够进一步提高系统能源利用效率，实现节能减碳目标，促进可持续发展。
　　目前，电子设备向着集成化、微型化发展，其功率密度越来越高，由此引发的一系列热问题严重影响了电子设备的稳定运行。微通道强化换热技术能够有效应对这些高热负荷需求，确保设备能够在适宜的温度范围内正常运行，提高设备性能和可靠性。同时，通过减少冷却介质的使用量和提高换热效果，实现节能和减少环境污染。
　　1.1 微通道传热研究进展
　　近年来，随着科技的快速发展，在微电子冷却、医疗器械、生物化工、激光设备及航空航天等领域中，电子设备的集成化程度越来越高，其热交换系统的热负荷也日益增强，如大功率的发光二极管散热、微电子元件的散热和激光二极管阵列的冷却等，这些设备不仅产生的瞬态热流密度较大，而且散热面积非常小。如果不能及时散去这些热量，会导致设备工作温度过高，从而影响设备的正常运行。
　　目前，大部分电子设备的*佳运行温度为20～40℃，*大温差不宜超过5℃，在工作过程中，表面温度过高或过低都会对设备的性能造成影响。据统计，55%的电子器件失效是由工作温度过高造成的。为了保证精密设备的正常运行，微尺度下的热管理系统是必不可少的。所谓的“微尺度”其实并没有一个固定的标准，它只是一个相对大小的概念，对于不同的研究对象，出现微尺度效应和时空尺寸的范围也不同。通常在一个标准大气压下，空气分子的平均自由程约为80 nm，而宏观尺寸通常大于3 mm。在宏观尺寸下，所研究物体的特征尺寸远大于分子的平均自由程，分子间的作用力可忽略，连续性假设成立。当所研究物体的特征尺寸进一步缩小时，分子之间的摩擦、碰撞作用变得不可忽略，此时连续性假说不再成立。因此，微尺度下热管理系统的研究需要考虑一些在常规尺寸下被忽略的作用力。早在20世纪80年代，发达国家就开始对微型换热器进行研究，如Karlsruhe设计了一种体积仅为1 cm3的小型换热器，*大传热功率可达20 kW。在 90 年代初，美国太平洋西北国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)在能源部的支持下开展了微化工系统的研究，随后Nishio[1]提出了热力学系统的概念。这种在微尺度下的热力系统具有体积小、能耗小及成本低的特点，在通信、微电子、汽车、医疗、激光技术及航空航天等领域有着极为广阔的应用前景。
　　1.1.1 单相对流传热研究进展
　　目前，强化管内传热主要有三种方法：主动法、被动法及复合法。主动法是指需要添加额外能量(除进出口泵功外)的强化传热方法，如机械辅助、表面振动、流体振动、静电场及射流冲击等。被动法是指不需要添加额外能量的强化传热方式，通常为结构优化，其中包括表面的修饰、添加突起物增强管内扰动、改变工质种类及传热方式等。复合法是一种结合主动法和被动法的强化传热方法。对于微通道强化传热而言，采用被动法更为简单、有效。
　　根据对流传热公式Q=AhΔT，一方面可以通过增大传热表面积A，如改变通道的截面形状、管壁添加突起元、设置多孔介质或采用面体比更高的通道进行传热；另一方面可通过增大对流传热系数h，如采用高导热系数的换热工质、添加粗糙元增强流体扰动、通过相变传热的方式或增大质量流量等。
　　1. 增大传热表面积
　　微通道热作为一种具有较高面体比的传热设备，有着非常高效的传热性能。相比于常规尺寸通道，微通道的结构尺寸更小，在这种狭窄的通道中，流动边界层厚度大大减小，流体热传导阻力减小，传热速率增强。Tuckerman和Pease[2]*次提出了微尺度阵列通道的概念，并成功去除了热流密度为1000 W/cm2的热量。然而，随着微电子器件热负荷的日益增强，这种内壁面光滑的微通道已不再适用。因此，迫切需要进一步优化微通道传热性能。其中，增大固-液接触表面积是一种非常有效的方法，如设置凹穴及内肋，这种复杂结构微通道能很好地满足现代微型电子设备日益增长的散热需求[3，4]。Chai等[5]在微通道的内壁面设计了交错排列的内肋并研究了肋的形状对流动与传热特性的影响，发现肋能有效地打断热边界层的发展，强化传热。Foong等[6]和Xie等[7]通过在微通道内设置挡板、漩涡发生器及翅片等方式增强管内局部扰动，提高微通道热沉的传热性能。Mohammed等[8]和Lin等[9]研究了不同几何参数，如通道宽度、壁面宽度、截面高宽比及振幅对波浪型微通道流动与传热特性的影响。Ghaedamini等[10]研究了强制对流传热时，渐缩/渐扩微通道的流动与传热特性。如图1.1所示，列举了部分文献中不同微通道示意图，分别为波浪型微通道[11]、带有三角肋的微通道[12]、针肋型微通道[13]及多孔介质微通道[14]。表1.1所示为不同学者对微通道结构进行的研究，结果表明，结构优化能有效强化微通道的传热性能。
　　图1.1 文献中不同结构微通道示意图
　　表1.1 不同学者对微通道结构的研究
　　2. 改变工质种类
　　在大多数微型设备液体冷却系统中，常见的换热工质有水、空气、乙二醇及各种有机制冷剂等。然而，这类传统制冷剂的导热系数较低，在有限空间内的散热效果较差，所以这并不能满足如今高热负荷的散热需求。为了更有效地提高微通道的传热性能，微尺度下结合纳米流体是一种比较有效的做法。
　　早在1995年，Choi和Easstman[23]*次提出了纳米流体的概念。所谓纳米流体，是指通过向水或乙二醇等基液中加入一定量的粒径为1～100 nm的金属/非金属氧化物颗粒所配制而成的稳定悬浮液。图1.2显示了纳米流体及其在不同温度及不同浓度下的导热系数[24]。如图所示，纳米流体的导热系数会随着颗粒浓度的升高而明显增大。当不添加纳米颗粒时，基液的导热系数为0.58 W/(m K)，而在浓度为60 ppm时，纳米流体的导热系数为0.72 W/(m K)，提高了约24.14%，这表明纳米流体具有更强的传热性能。此外，温度也会对纳米流体的导热系数造成影响，可以看到，随着温度的升高，导热系数逐渐增大。
　　图1.2 (a)纳米流体静置图；(b)不同温度及不同浓度下的导热系数[24]
　　研究表明，纳米颗粒在基液中的布朗运动及微对流现象能有效增强流体的内部扰动，相比于基液，纳米流体的导热系数更大。Xu等[25-27]认为在电子设备散热中，多孔介质及纳米流体均能有效提高微通道热沉(microchannel heat sink，MCHS)的传热性能。Bahiraei等[28]发现纳米流体结合不同结构微通道能有效散去中央处理器的热量，而这种方法同样被应用在热管、双层通道及新型分流器侧壁的并列通道中。Mogadassi等[29]研究了体积分数为0.1%的氧化铝-铜混合纳米流体，结果表明，混合纳米流体具有更高的导热系数。Pak和Cho[30]对圆管内的纳米流体进行了研究，分析了Al2O3和TiO2纳米流体在湍流状态下的流动与传热特性，研究发现，努塞尔数随着体积分数的增大而明显增大，并对湍流状态下的传热参数提出了新的关联式。Esfe等[31]在不同体积分数及温度时，对CNT/Al2O3/水纳米流体进行了研究，结果表明，纳米流体导热系数受颗粒体积分数的影响，并通过非线性回归的方法提出了纳米流体在不同温度下的关联式，发现在高体积分数下，温度对纳米流体导热系数的影响更为明显[32]。Shahsavar等[33]对磁场内的混合纳米流体进行了研究，发现黏度随磁场强度的增大而线性减小。
　　此外，许多学者还着重研究了纳米流体及截面形状对微通道流动与传热特性的影响。Kumar等[34，35]分析了体积分数为0.10%的Al2O3-MWCNT/水纳米流体在并排微通道中的热力学性能。结果表明，相比于水，采用纳米流体后*大传热系数提升了44.04%。Martínez等[36]通过数值模拟研究了层流状态下TiO2/水纳米流体在微通道热沉中的传热性能，相比于水，在Re为200、质量浓度为3%时，*大传热系数提高了19.66%。Xu等[37]研究了质量浓度为0.02%～0.2%的GOPs/水纳米流体在具有阵列翅片微通道热沉中的流动与传热特性。结果表明，在质量浓度为0.02%～0.2%时，微通道热沉的传热性能随着浓度的增大而增大。Shi等[38]发现，相比于去离子水、传热系数在体积分数为1%及2%的Al2O3/水纳米流体中分别提高了5.86%和8.49%。上述研究结果均表明了微结构能有效地打断热边界层的发展，促进冷热流体的混合，强化管内流动传热[39，40]。
　　1.1.2 沸腾传热研究进展
　　除了上述两种手段以外，通过相变的方式利用工质的汽化潜热同样能有效强化传热，如相变材料、热管及微通道两相流动沸腾等。为此，许多学者纷纷对微通道两相流动沸腾进行了研究。Chai等[41]指出纳米流体及纳米胶囊相变浆料能有效提高微通道的传热性能。潘占等[42]通过有限元法对功放模块的液冷及热管冷却进行了仿真分析，结果表明，在相同条件下，热管冷却效果比液冷的更好、表面温度均匀性更好。Sumith等[43]采用水作为换热工质，研究了水力直径为1.45 mm的竖直圆管在饱和沸腾下质量流速、蒸汽质量、含气率及热流密度对沸腾传热系数的影响。结果表明，微通道的管内两相流动沸腾传热系数较常规尺寸通道的更大。Marti等[44]通过实验的方法对R134a制冷剂在管径分别为0.83 mm、1.22 mm及1.7 mm的竖直微圆管内过冷沸腾进行了研究，结果表明，减小圆管的管径能有效提高过冷段的沸腾传热系数。彭晓峰[45]采用水作为换热工质，探究了尺寸为0.6 mm×0.7 mm的矩形微通的两相流动沸腾传热特性。结果表明，在核态沸腾时，壁面过热度仅为3～8℃，而在过冷沸腾转为核态沸腾的过程中，并未出现明显的核态沸腾流型，然而管内强化传热效果与核态沸腾时相近，这一现象也与常规尺寸通道截然不同。Harirchaian等[46]以FC-77作为换热工质，实验研究了宽为100～5850 μm、高为400 μm微通道的两相流动沸腾传热特性。研究发现，在结构相同的微通道内，单相传热系数与质量流速成正比，当核态沸腾发生后，沸腾传热系数与热流密度成正比，并随着热流密度的增大而增大。齐守良等[47]采用液氮作为换热工质，探究了水力直径为0.531 mm微通道的流动与传热特性，研究发现，在质量流量为1080.6～1684.8 kg/(m2 s)时，沸腾传热系数受质量流速及压力的影响较大，并随质量流速及压力的增大而明显增大，此时，核态沸腾传热是主要的传热机制。