《Journal of Taibah University for Science》：Hydrothermal performance of microchannel heat sinks with wavy walls and cavity designs using nanofluids
编辑推荐：
本文系统研究了波浪壁与多腔体（矩形/三角形/圆形）复合结构对微通道散热器（MCHS）水热性能的增强机制，采用CuO-水纳米流体为冷却工质。数值模拟表明，三角形腔体波浪微通道（WMCH-TC）通过诱导二次流和混沌对流，在高雷诺数（Re）下努塞尔数（Nu）较矩形腔体提升79%，壁温最大降低16°C。纳米流体体积分数增加可进一步提升传热效率达85%，为高功率电子设备冷却提供了创新性被动强化方案。
数值分析方法
计算域与边界条件
研究构建了三种波浪微通道散热器（WMCHS）模型，分别集成矩形（WMCH-RC）、三角形（WMCH-TC）和圆形（WMCH-CC）腔体结构。计算域包含固体（铜）与流体（去离子水）区域，雷诺数（Re）范围设定为200-1000。边界条件采用进口速度均匀分布（由Re计算）、出口压力为零（Pout= 0 Pa），流体进口温度固定为298.15 K。热通量100 W·cm?2施加于散热器底部，其余表面为绝热条件。
控制方程与假设
模拟基于三维稳态层流假设，忽略重力与热辐射效应。控制方程包括连续性方程、动量方程（Navier-Stokes）及能量方程。纳米流体物性通过Einstein模型计算粘度，Maxwell模型计算导热系数，其中CuO纳米粒子体积分数（φ）范围为0.025%-0.075%。
网格独立性与验证
网格独立性测试表明，当单元数达到"精细"级别时，结果误差小于3%。数值模型通过对比已有研究的流速分布与热阻数据得到验证，最大偏差低于3.5%，确认了计算可靠性。
结果与讨论
流体流动特性与水力性能
速度场分析显示，腔体结构显著改变流场分布。三角形腔体（WMCH-TC）在通道下部产生最高流速，其倾斜壁面促进流体向腔体深处渗透，增强核心区与近壁区流体混合。而矩形与圆形腔体的高速区集中于通道中心。压力分布表明，WMCH-TC因流动分离和狭窄流道产生最大压降，在Re=1000时较圆形腔体（WMCH-CC）高约40%。摩擦因子排序为WMCH-TC > 矩形微通道（RMCHS）> WMCH-RC > WMCH-CC。
传热特性与温度分布
温度场显示WMCH-TC具有最低的基底温度，在低Re下较WMCH-RC和WMCH-CC分别降低16°C和8°C。三角形腔体的倾斜结构有效破坏热边界层（TBL），诱导涡流生成，提升对流换热效率。热阻（Rth）随Re增加而下降，WMCH-TC的降幅最大，在Re=200时较WMCH-RC降低28.1%。努塞尔数（Nu）对比中，WMCH-TC在高Re下达到峰值，较WMCH-RC和WMCH-CC分别提升79%和36%。
性能综合评价
性能评价准则（PEC）分析表明，WMCH-TC在全部Re范围内保持最高值，证实其综合性能优势。尽管其泵浦功率因压降增大而高于其他结构，但热增强效果显著抵消了水力损失。纳米流体应用进一步强化传热，CuO体积分数增至0.075%时，WMCH-TC的Nu提升12.5%，整体较基础流体提升85%。
纳米流体的强化机制
纳米流体通过提高等效导热系数（knf）和热扩散率（αnf）增强传热。温度云图显示，纳米粒子浓度增加可降低最高温度达5 K，有效缓解微通道热变形风险。摩擦因子在低浓度下无明显变化，仅在φ=0.075%及高Re时略有上升。
结论
波浪微通道与三角形腔体的复合设计通过诱导二次流动和边界层重构，实现显著的水热性能提升。CuO-水纳米流体的协同应用进一步强化传热，使WMCH-TC成为高热量密度电子设备冷却的理想方案。该被动强化策略为微尺度散热系统优化提供了新思路。
