新型数据中心作为支撑未来经济社会发展的重要战略资源和公共基础设施，正朝着高技术、高算力的方向不断突破，但其散热元件的高功耗问题日益凸显，开发高效节能的电子冷却设备对建成“绿色数据中心”至关重要。蒸汽腔气液相变散热技术是现阶段解决电子散热问题的手段之一，因其扩散热阻低和热通量均匀等优点而倍受关注。但随着电子元器件逐渐趋向小型化、紧凑化发展，蒸汽腔的尺寸受到进一步的限制，导致扁平蒸汽腔的传热性能因高度减小而削弱。因此，有待分析腔体内部的气泡动力学行为和气液两相传热机理，并针对扁平蒸汽腔进行相变传热强化研究。 本文以蒸汽腔受限空间为研究对象，通过理论分析、数值模拟、可视化实验和性能测试等手段，针对其气液两相传热机理及传热强化开展基础理论和关键技术研究。首先基于格子玻尔兹曼方法，探究了蒸汽腔受限空间内气泡动力学特征随高度下降的变化规律，揭示了气液两相传热机理。在此基础上利用可视化实验方法阐明了蒸汽腔受限空间内沸腾和冷凝的相互干扰机制，厘定了受限空间条件对气泡动力学特征、气泡受力和传热性能的制约因素，揭示了充液率、加热功率、腔体高度对沸腾曲线的影响规律，并获得了各腔体高度下的沸腾传热系数经验关联式。针对扁平蒸汽腔内的传热性能恶化问题，基于数值模拟研究探究了润湿性交叉和梯度表面的传热特性，为传热性能强化提供了接触角优化调控指导方案。进而利用紫外（UV）激光蚀刻加工技术制备了沸腾改性表面，建立了微槽道改性结构参数与表面接触角的定量关联关系，厘定了扁平蒸汽腔内沸腾传热性能的改善机制，为扁平蒸汽腔相变传热技术的优化应用提供了理论依据和关键技术支持。主要研究内容及结论如下： （1）基于格子玻尔兹曼方法构建了适于蒸汽腔结构的多相热格子二维模型，探究了蒸汽腔受限空间内的气液两相传热机理，探明了高度条件对传热特性的影响规律，厘清了液桥现象是影响其传热性能的主要原因。模拟研究发现，高度条件对蒸汽腔受限空间内的气泡动力学特性和整体传热性能产生较大影响。相比于200格子和150格子高度的蒸汽腔受限空间，100格子高度条件下易产生多处液桥现象，且气泡的生长和脱离过程皆因空间高度限制受到较大阻碍，对相变传热过程产生干扰。100格子高度条件下的沸腾传热系数值为200格子高度条件的87.1%，且其整体传热热阻为150格子和200格子高度条件的1.4和1.9倍，表明了高度条件对相变传热性能的制约作用。 （2）基于蒸汽腔受限空间气液两相输运特性及传热性能测试的实验平台，通过可视化实验方法解析了沸腾和冷凝相互干扰作用机制，明晰了高度条件、加热功率和充液率等因素对汽化核心产生、气液界面受力的影响规律。实验研究发现，与常规高度有所差异，10 mm扁平蒸汽腔受限空间内的气泡会直接反弹回落至蒸发端，且高加热功率条件下会在冷凝表面上形成较大的气泡滑移区域。厘定了气泡滑移是制约扁平蒸汽腔受限空间传热机制的主要原因，受界面张力和浮升力、内外压差力等的共同作用。高充液率条件（FR = 70%）下的工质沸腾液位更接近冷凝表面，整个气泡生长周期达到FR = 30%和FR = 50%条件的3.7倍和1.3倍，引起了长期相变传热恶化效果。 （3）探究了不同腔体高度的蒸汽腔受限空间沸腾曲线演变规律，阐明了沸腾起始点和传热量变化的传热特征，获得了沸腾热流密度无量纲数、沸腾和冷凝传热系数、整体传热热阻的变化规律，提出了蒸汽腔系统的热设计适配策略，并建立了不同腔体高度的沸腾传热系数经验关联式以用于传热性能评价。实验结果显示，受液桥和气泡滑移影响，10 mm高度扁平蒸汽腔受限空间的沸腾起始点和气泡柱生成点相较其他高度条件均出现明显延迟。其沸腾热流密度无量纲数分布在0.17~0.33的较窄范围内，且沸腾和冷凝传热系数最大值仅为50 mm高度蒸汽腔对应值的64.8%和60.4%。为减小传热性能的恶化作用，在该类较低高度的蒸汽腔受限空间热设计中，应尽量选择较低或中等充液率条件。 （4）针对扁平蒸汽腔受限空间传热性能的恶化问题，利用格子玻尔兹曼方法探究了表面改性对传热特性的影响规律，设计了润湿性交叉和润湿性梯度表面，厘清了接触角间距、改性结构面积对沸腾和冷凝传热的强化机制，确定了接触角优化调控指导方案。模拟研究发现，改性表面在一定程度上抑制了液桥对相变传热的恶化作用，亲水区域促进了沸腾表面的气泡成核和冷凝表面的液滴聚集，疏水区域有助于减少沸腾表面重新成核等待时间和加快滴状冷凝过程。润湿性接触角差异和改性面积的增大对传热强化有一定的促进作用，优化的润湿性交叉和梯度沸腾表面的传热性能较单一亲水表面分别提升了4~5倍，优化的润湿性交叉和梯度冷凝表面的传热性能较单一疏水表面提升了近2倍。 （5）基于数值模拟研究中所提供的改性设计优化方案，利用UV激光蚀刻技术制备了沸腾表面润湿性交叉和梯度改性表面，获得了微槽道改性结构参数与表面接触角的定量关联关系，实现了从亲水25°~疏水140°接触角变化的改性表面控制，探究了改性表面对扁平蒸汽腔受限空间内气泡滑移现象的改善作用。实验结果显示，在低加热功率下，交叉表面促使气泡脱离，并抑制了冷凝表面上气泡滑移现象的产生；梯度表面促使气泡向更亲水区域迁移，增强了内部液体扰动。在高加热功率下，交叉和梯度表面中的亲水区域均有效减小了蒸发端界面张力，促进了气泡脱离并减轻了气泡滑移对传热的恶化作用。在10 mm高度蒸汽腔受限空间中，优化的120°-30°润湿性交叉和梯度表面对高充液率和高加热功率条件下的沸腾传热强化效果显著，整体传热性能最高提升了3倍，为实现表面改性技术在扁平蒸汽腔热管理中的应用提供了充分的可行性。 |
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