肋片互连微通道散热器的热-水力性能数值研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Numerical study on thermo-hydraulic performance of rib-interconnected microchannel heat sink

　　

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  新型肋板互联微通道散热器增强传热性能。
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  三角形肋板性能最佳，使峰温降低12.65 K，PEC为1.99。
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  肋板扰动与互联件在传热与压降之间实现平衡。
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  可承受132.01 W/cm²热流密度，优于传统微通道散热器。
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  为相关结构的优化提供理论指导。

引言

科学技术的不断进步使电子产品的集成密度大幅增加，同时器件加热单元的特征尺寸持续减小。随着器件功率密度的不断攀升，热管理已成为制约器件可靠性和服役寿命的关键瓶颈 [1]、[2]。为防止芯片热失效，芯片表面温度必须保持在85 °C以下 [3]。在此背景下，微通道散热器已成为极具前景的先进冷却方案。为应对这一挑战，芯片热管理技术已发展为覆盖从芯片内部到外部环境的完整层级系统，从微尺度向宏尺度依次递进。这涵盖了芯片级 [4]、[5]、热界面级 [6]、[7] 以及系统级技术的进展，包括喷雾冷却 [8]、射流冲击 [9]、[10]、两相浸没冷却 [11]、[12]、相变材料 [13]、[14] 等，研究人员不断探索创新性冷却技术。在这些技术中，Tuckerman 和 Pease [15] 提出的传统微通道散热器（MCHS）因其结构简单和兼容性良好而被广泛应用。

传统 MCHS 固有的问题包括壁过厚和温度分布不均 [16]。为应对这些问题，Tao 等 [17] 提出了三种增强对流传热的方法。受此启发，Chai 等 [18]、[19]、[20] 相继对带矩形肋的断续 MCHS、带周期空腔的 MCHS 以及侧壁带各种形状错列肋的 MCHS 进行了数值研究，为带肋 MCHS 的研究奠定了坚实基础。近年来，研究人员对各种构型的带肋 MCHS 进行了广泛研究，包括倾斜肋 [21]、双向肋 [22]、侧壁肋 [23]、[24]、[25]、[26]、[27]、底部微肋 [28]、错列肋 [29] 和波浪肋 [30]。这些研究表明，在微通道中引入肋可显著增强传热性能，但同时伴随流阻和压降增加。肋与空腔的组合也可增强 MCHS 的热性能，其中空腔几何形状和肋参数是强化传热的关键因素。典型构型包括矩形肋与矩形空腔耦合 [31] 及波浪形微通道 [32]、扇形空腔 [33] 和梯形空腔 [34] 与各种肋集成、椭圆空腔与椭圆肋组合 [35] 以及锯齿形空腔与水滴形肋匹配 [36] 等。值得注意的是，将布局优化 [37]、[38]、[39]、非支配排序遗传算法 II（NSGA-II）[40] 和机器学习技术 [41]、[42] 与带肋 MCHS 相结合已成为近年来的新兴技术方案。然而，由于压降升高，带肋 MCHS 不可避免地会带来相当大的能耗代价。

二次流增强传热方案可在不引起压降显著上升的情况下保持优异的传热性能。Sui 等 [43] 研究了波浪形微通道的层流流动和传热特性，揭示通道内周期性曲率变化引起 Dean 流和混沌对流，从而显著强化流体混合和传热性能。Fan 等 [44] 提出了一种带圆柱斜翅的新型 MCHS，并首次发现高雷诺数（Re）下二次通道内形成回流区。Xie 等 [45] 开发了一种多级分叉 MCHS，结果表明该结构可显著降低总热阻并明显改善加热表面温度不均匀性。Tikadar 等 [46]、[47]、[48] 相继研究了互联的顺流和逆流 MCHS、二次流增强的对流 MCHS 以及结合锥形通道与 IC 的混合 MCHS，揭示了 IC、二次流以及通道锥形化对热工水力性能的耦合效应强化机制。因此可以明显看出，IC 通过利用二次流来增强传热效率。二次流通道的参数优化 [49]、多目标优化 [50] 和侧向通道结构修改 [51]，以及 IC 在波浪形微通道中的应用 [52]、[53] 和工作流体选择 [54]，已成为微通道热管理领域的研究热点。受珊瑚波浪形态启发，Zhang 团队 [55] 创新性地提出了一种梯度三周期极小曲面冷板。结果表明，热阻降低了 35.8%，而压降仅增加 15.80%。Zhong 等 [56] 报道了一种全波浪壁的双层 MCHS，压降变化低于 7.81%。总体而言，这些发现表明基于二次流的强化传热方案能使 MCHS 实现有限的压降变化。然而，在大多数情况下，此类方案存在相当的限制，且二次流 MCHS 的冷却性能劣于带肋 MCHS。

对现有文献的综述表明，实心肋可大大增强传热，但会导致压降急剧上升。相比之下，二次流 MCHS 可有效提高传热效率，而压降仅略微上升。尽管先前的研究已探讨将扰流结构与二次流通道相结合的组合微通道散热器，但关于肋几何形状如何调节倾斜互联件诱导的横向流动的系统研究仍然有限。特别是肋诱导的近壁流动扰动与 IC 诱导的横向流之间的耦合，以及其对所得热工水力性能的影响，尚未完全阐明。因此，本研究调查了带椭圆、矩形和三角形肋的肋互联 MCHS，特别关注肋几何形状对横向流动强度的影响以及肋诱导扰动与 IC 诱导横向流之间的底层耦合机制。

章节片段

结构模型

图 1(a) 展示了常规平行直 MCHS 的几何形状，标记为案例 1。基体由通道基底区域和入口区域组成，尺寸分别为 $L_{\text{通道基底}}\times W_{\text{入口}}$（26.0 × 7.0 mm²）和 $L_{\text{入口}}\times W_{\text{入口}}$（5.0 × 7.0 mm²）。通道宽度 $W_{\text{通道}}$ 和通道壁宽度 $W_{\text{壁}}$ 均为 1.0 mm，通道壁高度为 $H_{\text{壁}}$（2.0 mm），基体高度为 $H_{\text{基底}}$（0.5 mm）。图 1(b) 显示 IC 宽度为 $W_{\mathrm{ic}}$（1.5 mm），且

压力特性

通过微通道的流动由 ?P 驱动，?P 是评估不同构型水力性能的重要指标。如图 3(a) 和 (b) 所示，所有构型的 ?P 随 Re 增加而非线性增长，主要原因是较高流速下惯性效应增强，加剧了流动内的动能耗散。仅引入 IC 结构的案例 2 的 ?P 与案例 1 相当，表明

结论

通过引入 IC 和肋来增强通道间的横向流和近壁流动扰动，提出了一种带肋 ICMCHS。在不同 Re 下系统地研究了不同构型的流动、传热和总体热工水力性能。主要结论如下：

• (1)
  引入 IC 仅略微增加流阻即可改善通道间的流动再分配，而侧肋是增加的主要来源

CRediT 作者贡献声明

邹秀贤：撰写——原稿、形式分析、数据管理。邓辉：验证。蒋乐勇：撰写——审阅与编辑、方法论。余望兵：撰写——审阅与编辑。吴晓虎：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、经费获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到武汉市自然科学基金（2026040101030011）和天津市制冷技术重点实验室（2026TKLRT003）的资助。

邹秀贤|邓辉|蒋乐勇|余望兵|吴晓虎