分形树状微小结构中流动沸腾传热机理及气液两相流动力学行为

Recognizing the significant potential of microscale flow boiling heat transfer in high flux microelectronic cooling, the fractal tree-shaped geometry is introduced into it so as to obtain an optimal configuration of mass transfer and heat transport and hence to realize a more enhanced thermal removal performance. The project will develop a theoretical model of flow boiling in fractal tree-shaped networks with a consideration of bifurcation effect, surface tension, heat and mass transport occurring at interfaces as well as interfacial motion and transformation. The project will fabricate fractal tree-shaped silicon microchips integrated with micro sensors for flow boiling heat transfer by MEMS micromachining, measure the flow resistance and heat transfer performance of flow boiling in fractal structures, and conduct visualization experimental investigation on the dynamic evolution of the flow regime via high speed microscope camera. The coupled thermodynamics and kinetics mechanisms of boiling phase change, heat transfer, gas-liquid two-phase flow, interfacial motion and rheologic interaction among multi-level microchannels, especially the dynamic behaviors of breakup and coalescence process induced by the tree-shaped bifurcation effect, is explored and analyzed with a focus on the multiscale effect and tree-shaped bifurcation effect. This project is of significant academic value in the development of microscale heat and mass transfer theory and will provide theoretical bases for the optimization design of micro heat exchangers.

微尺度流动沸腾是解决高热流密度微电子芯片散热问题的一个重要途径。本项目将分形树状结构引入至微尺度流动沸腾传热，以实现沸腾相变散热器工质输运和热量传递的优化配置，进一步强化散热性能。建立考虑分叉效应，表面张力，相界面热质传递、运动及变化的分形树状网络中流动沸腾的理论模型并进行数值模拟；采用MEMS工艺研制集成有微传感器的分形结构微通道芯片，测试流动沸腾传热与阻力特性，基于高速显微成像系统开展流型动态演化的可视化实验研究；探析沸腾相变、热量传递、两相流动、界面迁移以及多级微通道间流变相互作用的热力学和动力学耦合输运机制，并重点阐明树状分叉效应导致的气泡破裂分散与聚并融合过程的动力学行为，深入研究分形树状微小结构中的流动沸腾传热和流型演化的多尺度效应、树状分叉效应。本项目的研究不仅对于完善微尺度传热传质基础理论具有重要的科学意义，也将为MEMS换热器件的优化设计提供强有力的理论支撑。

微尺度流动沸腾是解决高热流密度微电子芯片散热问题的一个重要途径，分形树状微通道则对工质输运和热量传递有着优化配置作用。为此，本项目从微小直通道入手，逐渐过渡到T型微通道，最后将分形树状微小结构引入至流动沸腾与气液两相流中，建立了微小结构中流动沸腾与气液两相流的理论模型并进行数值模拟，同时采用微加工工艺研制分形微通道芯片，并基于高速显微成像系统开展了流型演化可视化实验，就微小结构内气液相变传热行为、T型通道内气泡破裂的动力学行为、分形树状微小结构内流动沸腾传热行为等问题展开了深入研究，重点探析沸腾相变、热量传递、两相流动、界面迁移以及多级微通道间流变相互作用的热力学和动力学耦合输运机制，揭示了分形树状微小结构内流动沸腾传热机理及气液两相流动力学行为。.研究结果表明：(1) 微小结构中气液相变传热过程出现独特的脉动流型，具有液塞随机形成和脉动运动的典型特征；二元蒸汽诱发微小结构冷凝气液两相流出现非对称界面波动和不稳定现象; (2)分形树状前面2级微通道中气泡流动易发生对称破裂，而在后面几级通道由于出口压力和级间相互作用而出现流动气泡分裂的不对称性和不同步性；(3)分形树状前面2级微通道中流动沸腾气液两相流动以泡状流和塞状流为主，核态沸腾和强制对流蒸发同时存在，较高级数微通道中流动沸腾呈现气液两相环状流动，强制对流蒸发占优势；(4)蒸发面上配置分形树状网络槽道结构使气液流动产生分流效应，提高了蒸发段与冷凝段之间的气液两相输运顺畅性，进而强化平板热管的传热性能。.本项目的研究不仅对完善微尺度流动沸腾基础理论具有重要的科学意义，也将为微型换热器件的优化设计提供强有力的理论支撑。基于本项目研究成果，共在国内外期刊发表论文16篇，其中SCI论文7篇、EI论文8篇(含SCI、EI双收录7篇)；申请发明专利7件（其中已授权3件）；培养研究生8名。项目组成员获2014年度江苏省优秀博士学位论文，2016年传热传质分会青年优秀论文二等奖。