学术成果—能源动力与机械工程学院在薄液膜沸腾研究中取得重要进展
近日，我校能源动力与机械工程学院陈林教授、杜小泽教授课题组在薄液膜沸腾研究中获得了突破2000w/cm2的超高热流密度结果，这是目前公开报道的平整表面热流密度的最高结果，相关研究“manipulating thin film boiling to achieve record-breaking high heat flux”于2月14日发表在权威学术期刊《国际传热传质杂志》（international journal of heat and mass transfer，2024, 224: 125308.）。这也是该研究团队围绕薄液膜沸腾方向在《国际传热传质杂志》上连续发表的第4篇论文。
在能源电力、航空航天、电子信息、人工智能等领域，小型化和集成化使得仪器设备的局部发热量达到103 w/cm2量级。为保障这些设备和器件的安全稳定运行，需要研究能够实现超高热流密度的先进传热方式并开发相应的高效冷却技术。新型“薄液膜沸腾”（thin film boiling, tfb）的临界热流密度（critical heat flux, chf）可以达到1000 w/cm2以上，同时在热流密度较大时还具有过热度随热流密度增大而减小的特性，因此有望同时实现高热流密度和低传热温差，非常契合电子器件和设备的散热需求。
薄液膜沸腾的chf与驱动工质流动的压差成正比（图1），该团队通过增强样品承压能力、调控工质加压方式，获得了超过2000 w/cm2的超高热流密度结果。围绕这一目标，研究人员开展了深入系统的工作。
图2是恒压供液模式下，单侧固定样品与双侧固定样品（图3）的薄液膜沸腾曲线。相比单侧固定样品，双侧固定样品的承压能力更高，chf也随之提升到1400 w/cm2左右。
图1 薄液膜沸腾chf的实验结果和模型计算结果 图2 恒压供液模式下，单侧固定样品与双侧固定样品的薄液膜沸腾曲线
图3 实验样品固定方式对比，(a)单侧固定，(b)双侧固定
恒压供液模式下，样品始终处于最大供液压力的极端力学条件下，易破裂失效。研究人员将恒压供液变为步进增压供液，供液压力与加热功率异步增加。图4是步进增压供液方式下薄液膜沸腾曲线的示意图及实验结果，薄液膜沸腾的chf提升至1500 w/cm2以上。
图4 步进增压供液方式的薄液膜沸腾曲线，(a)示意图，(b)实验结果
研究人员进一步发现，采用步进增压供液方式的薄液膜沸腾实验过程类似于具有有限传动比的自动变速箱（at）的换挡过程（图5）。当薄液膜沸腾实验中的供液压力和加热功率都以更小的步长和更高的频率变化时，极限的情况是供液压力和加热功率的连续和同步变化，相应的薄液膜沸腾实验过程就类似于无级变速箱（cvt）的变速过程。在连续增压供液方式下，实验样品保持在相对松弛的状态，实验获得的chf显著提升到1500至2000 w/cm2的范围，最高的chf达到2074 w/cm2。
图5 步进增压供液方式转变为连续增压供液方式的薄液膜沸腾曲线，(a) ~ (c) 示意图，(d)实验结果
除上述研究工作外，研究团队在薄液膜沸腾方向还开展了多项研究，建立了原创的薄液膜沸腾的理论计算模型（图6、图7），采用电阻网络模型分析了实验样品的失效原因（图8、图9）并提出了相应的主动调控策略（图10、图11）。
薄液膜沸腾可以实现超高的chf，但其沸腾曲线与池沸腾的沸腾曲线有很大的不同，文献中没有可用的理论计算模型，因此无法对薄液膜沸腾开展定量的计算分析，难以揭示独特现象背后的内在机理机制。图6是薄液膜沸腾曲线与池沸腾曲线的对比，根据薄液膜沸腾曲线的斜率将其分为三个部分，通过分析每一部分的特点来建立对应的数学模型。如图7所示，薄液膜沸腾曲线的模型计算结果与实验结果吻合较好，模型计算结果表明超高热密度时出现“回转”形状确实与液膜厚度减小密切相关。总体上，薄液膜沸腾曲线计算模型可以为研究薄液膜沸腾的传热强化机理提供理论指导和量化分析工具。
图6薄液膜沸腾曲线分为三个部分进行建模 图7 薄液膜沸腾曲线模型计算结果验证
在薄液膜沸腾实验中，pt镀层兼具加热和感温功能，发挥着关键作用。液膜沸腾实验后采用扫描电镜（sem）观察，发现样品表面出现图8中的河流状不连续区域。基于微观观察，将多孔pt镀层抽象为图9(a)中的电阻网络。通过计算薄液膜沸腾过程中pt的温度变化，成功模拟了薄液膜沸腾实验中的pt镀层局部过热并形成河流状裂纹的现象。计算结果表明，pt镀层的不均匀性是样品发生熔断的根本原因，较薄或较厚的电阻及其相邻电阻将比其余电阻更早地达到熔点，然后电阻的熔化以类似于链式反应的方式扩散到pt层的其他部分，如图9(b)所示。
图8 薄液膜沸腾实验后，样品表面形貌的sem图
图9 pt镀层的电网络模型和超温熔断过程的模拟
在电阻网络模型的基础上，进一步研究了薄液膜沸腾工质流量的主动调控方案，以缓解电压波动可能导致的电阻过热和熔化的问题。调控方案一（图10(a)）通过调节整体水压来控制工质流量，从而改变冷却能力。调控方案二（图10(b)）则是通过调节某一行/列的水压来控制局部的工质流量。图11中的模型计算结果表明，主动调控方案可以有效调控pt镀层的温度，相比方案一，方案二的水压变化较小且温度分布更加均匀。
图10 薄液膜沸腾工质流量调控策略
图11 两种调控策略所需的供液压力变化及其对镀层温度的影响
该项研究得到了北京市重点研发计划课题（z181100005118013）和国家自然科学基金面上项目（52376054）的资助。
论文链接：
初审：王敏
复审：陈林
审核：杜小泽