NSR | 薄液膜沸腾的统一传热模型

2024-05-16 03:05

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最近，华中科技大学杨荣贵教授的热功能与交叉应用（X-Thermal）团队提出了一个高精度和通用的薄液膜沸腾传热模型，可对烧结铜网、烧结粉末、微柱阵列等多种微结构表面的薄液膜沸腾换热特性（包括传热系数和临界热流密度）进行准确预测。相关研究以“A heat transfer model for liquid film boiling on micro-structured surfaces”发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），博士生李鹏堃为第一作者，杨荣贵教授、刘修良副教授为共同通讯作者。

过热是影响电子器件性能和寿命的关键因素之一。为保证高功率电子器件的稳定可靠运行，毛细液膜蒸发作为一种高效的相变换热技术，在芯片热管理领域得到了广泛的应用。然而，由于受到液膜厚度的制约，难以同时提高毛细液膜蒸发临界热流密度与传热系数，这成为了电子器件热管理的长期挑战。几年前，杨荣贵教授提出了一种在毛细液膜中引人动态汽泡、综合利用液膜蒸发和核态沸腾优势的“薄液膜沸腾”相变新机理，实现了液-汽相变传热中临界热流和传热系数的同步提升，有望应用于未来高功率芯片热管理，引起了国内外的关注和积极推进。

液膜沸腾传热示意图

为进一步提升薄液膜沸腾的传热性能，近年来国内外研究人员开发了许多新型的微纳结构。但由于对液膜沸腾的内在机理缺乏认识，导致微纳结构的优化设计缺乏理论指导。不同的微纳结构同时改变了蒸发、沸腾的传热特性以及液膜/汽泡的输运特性，使得液膜沸腾的热质传递规律变得复杂化，导致近期发展的液膜沸腾传热模型偏差较大。针对这一挑战，杨荣贵团队构建了一个包括液膜内部沸腾、液膜顶部蒸发的自适应框架，得到不同热流密度下，液膜内部沸腾和顶部蒸发的换热比例与汽液两相含率，从而实现内部热质传递的准确计算。