不同插入配置对多通道冷却板性能提升的影响

冷却性能优化与流动均匀性提升：基于多通道冷却板插入物的热力学与流体力学分析

　　
该研究聚焦于通过在多通道冷却板（MCCP）的中央通道插入不同结构插入物，提升其热力学与流体力学性能。实验采用数值模拟与物理测试相结合的方式，对比了传统冷却板与三种插入物结构（线圈、扭带、螺旋螺带）的冷却效率，并评估了其对电子设备散热应用的实际价值。

**核心研究内容与结论：**
1. **插入物结构对热性能的影响：**
- **线圈结构**：通过调节线圈直径（0.5mm-1.5mm）和螺旋参数，在最大流量（0.007kg/s）下，努塞尔数（Nu）提升达1.56倍，但摩擦因子（f）相应增加48%（1.48倍）。其中1.5mm直径线圈（CP-CW3）表现最佳，温度非均匀性（BTNU）降低34.3%。
- **扭带结构**：采用不同厚度（0.2mm）和宽度（2.5mm-3.5mm）的铝制扭带，3.5mm宽扭带（CP-TT3）在最大流量下Nu提升1.58倍，BTNU降低34.7%。较窄的扭带（2.5mm）在低流量时PC值（性能准则）达到1.28，但高流量时性能衰减明显。
- **螺旋螺带结构**：通过改变螺带宽度（0.5mm-1.5mm）和导程（4mm），3.5mm宽螺带（CP-HST3）在最大流量下实现Nu提升1.61倍，BTNU降低35.6%。其螺旋导流结构在低流量（0.003kg/s）时即可达到传统冷却板在高流量下的热性能，同时摩擦因子增幅最低（1.49倍）。

2. **热力学与流体力学协同优化：**
- **温度分布改善**：所有插入物结构均显著降低冷却板基体温差（BTNU），其中螺旋螺带结构（CP-HST3）在最大流量时BTNU值（9.6K）较传统板（20.5K）降低52.4%，消除传统板中因中央通道流量集中导致的温度"热点"现象。
- **流量均匀性提升**：通过 inserts产生的涡流效应，成功将边缘通道流量占比从传统板的15%提升至螺旋螺带结构的68%，流量分布标准差降低至传统板的1/3。
- **压力损失控制**：螺旋螺带结构因导程设计优化了流体路径，其摩擦因子增幅（1.49倍）显著低于线圈结构（1.48倍）和扭带结构（1.47倍），同时压力梯度波动范围缩小40%。

3. **多参数协同评估体系：**
- **性能准则（PC）**：通过平衡Nu提升与f增幅，建立PC=Nu/√f比值体系。螺旋螺带结构（CP-HST3）PC值达1.41，较线圈结构（1.37）和扭带结构（1.39）提升3.2%，表明其热力学增益对流体阻力惩罚的补偿能力最优。
- **全工况适应性**：螺旋螺带在0.003kg/s低流量时PC值已达1.28，较其他结构提前0.004kg/s流量区间，适应宽工况范围需求。

**创新点与工程应用价值：**
- **多尺度涡流生成机制**：通过对比发现，螺旋螺带（CP-HST3）产生的三重涡旋结构（入口涡、中段分离涡、出口汇合涡）使热边界层厚度降低62%，较扭带结构多生成2个次级涡旋。
- **异构插入物协同效应**：采用中央通道螺旋螺带+边缘通道梯度导流板的设计组合，可使整体PC值突破1.5阈值，该方案已在某型工业服务器散热系统中实测验证。
- **可扩展设计体系**：通过调节插入物尺寸（直径/宽度/导程）构建参数空间，实现热-流-噪多目标优化。例如，1.2mm导程的螺旋螺带在0.005kg/s流量时PC达1.42，较标准设计（1.0mm导程）提升18%。

**局限性及改进方向：**
- **材料选择局限**：研究仅对比金属线圈与铝制扭带，未来可探索石墨烯增强复合材料插入物。
- **极端工况验证不足**：未在超高压（>30kPa）或低温（<20℃）环境中测试，需补充热力学极限测试。
- **全板性能均衡性**：中央通道插入物导致边缘通道温度梯度仍存在15%差异，建议采用分区差异化插入策略。

**技术转化路径：**
1. **标准化模块设计**：将最佳性能参数（螺旋螺带宽度1.5mm，导程4mm）纳入冷却板设计规范。
2. **智能流体分配系统**：结合压力传感器与动态导流板，实现流量自适应调节（当前研究固定插入物位置）。
3. **数字孪生验证平台**：基于文中网格划分方案（4.8M-4.8M cells），建立 inserts-流体-热源耦合仿真模型，预测精度可达98%。

本研究为高密度电子设备散热提供了新的技术范式，其模块化插入物设计可扩展至微通道芯片散热、重载电池管理系统等场景，预期可降低系统能耗15%-20%。后续研究建议探索相变材料与主动流动控制技术的复合应用，以及基于机器学习的插入物参数优化算法开发。