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微结构表面喷雾冷却：传热特性解析与多元应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代科技飞速发展的时代，电子设备正朝着小型化、轻量化和高度集成化的方向迈进，这使得电子元器件的热流密度急剧增大。以计算机芯片为例，随着芯片集成度的不断提高，单位面积上的功率耗散大幅增加，其热流密度已从早期的几W/cm2增长到如今的数百W/cm2。过高的温度会对电子设备的性能和可靠性产生严重影响，如导致芯片运算速度下降、电路短路甚至器件烧毁等问题，进而缩短设备的使用寿命，增加维护成本。据相关研究表明，电子设备的故障率与温度密切相关，当温度每升高10℃，其故障率大约会增加50%。因此，高效的散热技术成为了确保电子设备稳定运行和性能提升的关键。

喷雾冷却技术作为一种新型的散热方式，在众多散热技术中脱颖而出，备受关注。它借助高压气体或者冷却工质自身的压力，通过喷嘴将冷却工质雾化成20-100μm的微液滴，然后强制喷射到被冷却物体的热表面。在这个过程中，通过强制对流、液膜蒸发、核态沸腾以及二次核化等多种传热方式，能够带走大量的热量，从而实现对散热面的有效冷却。喷雾冷却具有诸多显著优点，如散热能力强，能够应对高热流密度的散热需求；温度均匀性好，可避免局部过热现象；冷却工质用量少，降低了运行成本和资源消耗。这些优点使得喷雾冷却技术对于提高电子元器件的稳定性、高效性和使用寿命具有重要意义，成为电子冷却领域最具潜力的冷却方式之一。

近年来，研究人员发现通过在表面构建微结构，可以进一步强化喷雾冷却的传热性能。微结构表面增加了表面的凸起与凹槽，改变了表面的几何形状和拓扑结构，从而对液滴的撞击、铺展、蒸发以及液膜的流动等过程产生影响，进而改善了表面液膜形态，增强了传热效果。这种强化传热的方式为解决电子设备散热问题提供了新的思路和方法，具有重要的理论研究价值和实际应用前景。通过深入研究微结构表面喷雾冷却的传热特性及应用，可以为电子设备的散热设计提供更科学、更有效的依据，推动电子设备向更高性能、更小尺寸的方向发展，同时也有助于拓展喷雾冷却技术在其他领域的应用，如航空航天、新能源汽车、工业制造等，具有广泛的经济和社会效益。

1.2国内外研究现状

国外在微结构表面喷雾冷却传热特性及应用方面的研究起步较早。[国外研究者1]通过实验研究了不同微结构形状（如矩形、三角形、圆形等）对喷雾冷却传热系数的影响，发现矩形微结构在特定条件下能够显著提高传热系数。[国外研究者2]运用数值模拟方法，建立了考虑微结构表面润湿性的喷雾冷却模型，深入分析了液滴在微结构表面的蒸发过程，揭示了润湿性对传热的重要作用。在应用方面，国外已经将微结构表面喷雾冷却技术应用于高端服务器的散热系统中，有效提高了服务器的运行稳定性和性能。

国内的研究也取得了一定的成果。[国内研究者1]对微肋结构表面的喷雾冷却进行了实验研究，分析了微肋高度、间距等参数对换热特性的影响规律，发现适当增加微肋高度和减小间距可以增强换热效果。[国内研究者2]采用数值模拟与实验相结合的方法，研究了多孔微结构表面喷雾冷却的强化换热机理，指出多孔结构能够增加气液接触面积，促进相变换热。在实际应用中，国内部分电子设备制造商开始尝试将微结构表面喷雾冷却技术应用于新型电子产品的研发中，取得了初步的成效。

然而，目前的研究仍存在一些空白与不足。一方面，对于微结构表面喷雾冷却的传热机理尚未完全明确，特别是在多物理场耦合作用下（如热、流、力、相变等），液滴与微结构表面的相互作用机制还缺乏深入的理解。另一方面，现有的研究大多集中在单一微结构参数对传热特性的影响，缺乏对多参数协同优化的研究。此外，在实际应用中，微结构表面的加工工艺和耐久性问题也有待进一步解决，以确保喷雾冷却系统的长期稳定运行。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括以下几个方面：

喷雾特性对传热的影响：系统研究雾滴速度、雾滴直径、雾滴数量通量等喷雾特性参数对微结构表面喷雾冷却传热的影响规律，分析各参数之间的相互作用关系，确定影响传热的关键喷雾特性参数。

表面微结构特性对传热的影响：探究不同微结构形状（如直槽、方肋、多孔等）、尺寸（如槽深、槽宽、肋高、孔径等）和排列方式对传热性能的影响，建立微结构特性与传热效果之间的定量关系，为微结构表面的优化设计提供理论依据。

微结构表面的强化换热机理：从微观角度深入分析微结构表面喷雾冷却的强化换热机理，包括液滴在微结构表面的撞击、铺展、蒸发过程，液膜的流动与稳定性，以及相变换热的增强机制等，揭示微结构强化传热的本质原因。

微结构表面喷雾冷却的应用研究：将研究成果应用于实际电子设备的散热设计中，设计并搭建微结构表面喷雾冷却实验装置，进行实验验证，评估其散热性能和实际应用效果，为电子设备的高效散热提供可行的解决方案。

在研究