微通道流動沸騰
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
微通道流動沸騰的實例教程
來源 |
Nature Communications，傳熱傳質青委會
原文 | https://doi.org/10.1038/s41467-023-39289-5
01
背景介紹
微通道流動沸騰傳熱是一種較為理想的氣液兩相散熱技術，具有散熱效率高、均溫性好等獨特優勢，在100W/cm2以上量級高熱流密度功耗元器件冷卻散熱領域具有廣闊的應用前景。但是，微通道流動沸騰在實際應用中長期存在著兩相逆流不穩定性和流型混沌無序等瓶頸問題，嚴重影響其散熱能力和工作穩定性。因此，如何抑制兩相逆流不穩定性、形成定向有序的高效傳熱流型，已成為微通道流動沸騰傳熱強化的前沿熱點問題。
02
成果掠影
東南大學陳永平教授、李文明教授與香港理工王鉆開教授研究團隊受到“流體二極管”—特斯拉閥的啟發，原創性地開發了一種新型微通道流動沸騰散熱熱沉。該熱沉通道采用周期性特斯拉閥結構流道充分抑制氣液兩相逆流，同時配合側壁毛細微柵欄結構誘導形成穩定持久的側壁面薄液膜，實現了氣液兩相工質的定向有序流動和穩定高效的薄液膜蒸發傳熱，顯著提升了微通道流動沸騰的穩定性和傳熱性能。相較傳統光滑平直微通道熱沉，該型熱沉在總流量為0.36kg/h條件下的流動沸騰換熱系數和散熱熱流密度分別提高了6倍和5倍，可達175 kW/cm2K和830 W/cm2。同時，研究還探明了該型熱沉換熱性能的躍升現象，并發現通道出口蒸汽干度0.25是其沸騰換熱性能躍升的閾值。這項工作為開發更為高效穩定的微通道氣液兩相散熱冷卻技術提供了嶄新思路。
展開 2.1.問題描述
本次研究擬采用LJ體系模擬二維Couette flow，Couette flow（庫愛特流）指的是粘性流體在相對運動著的兩平行平板之間的層流流動。這個流動是由作用在流體上的粘性力和與平板平行的外部壓力推動的。本次研究通過固定底端，移動頂端來制造Couette flow。
2.2.模型描述
具體模型如圖2.1所示。本次模擬采用LJ約化單位，初始晶體模型為六方最密堆積結構，晶格參數為0.7，沿x（100）方向為20倍晶格長度，y方向（010）為20倍晶格長度。此次模型為2維模型，x為流動方向，因此設置為周期性邊界。y方向采用收縮邊界，以模擬平板移動。采用OVTIO進行模型可視化處理。在模擬流動前先設置流動區域和平板區域。具體方式為采用velocity和fix setforce命令固定底端和頂端1倍晶格長度的區域作為平板。對中間的流體區域采用速度標定法進行控溫。在進行流動模擬時，為頂端的固定區域設置沿x方向的初速度為5.0，其他方向速度為0。底端繼續保持固定。流動模擬一共運行100000步。
圖2.1：模型示意圖
2.3結果整理與分析
圖2.2展示了在初始1000步，50000步和100000步時流體原子沿著y方向的x方向速度（vx）的分布情況。從圖中可以看出有平板與流體之間粘性力帶起的流體運動存在著明顯的滯后現象。這樣的滯后體現在空間和時間尺度上。在空間尺度表現為從固定端到移動端存在著明顯的速度梯度。從時間尺度上表現為流體的速度隨著時間逐漸增加。同時還利用OVITO分析了沿y軸不同位置原子的移動軌跡，如圖2.3所示。這里也可以清楚的看的靠近頂端移動平板的原子在相同時間內有著更長的移動距離。
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一、引言
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（二）熱工水力分析
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