针对特斯拉阀门微通道中增强热传递的需求，对针翅结构进行了参数研究

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Parametric study of pin fin structures for enhanced heat transfer in tesla valve microchannels

　　摘要

随着微电子技术的快速发展，电子芯片中的热流不断增加，因此需要高效的热管理解决方案来确保可靠性和性能。本研究将特斯拉阀与针肋结构相结合，探讨了通过集成针肋结构来增强特斯拉阀型微通道中的热传递效果，从而解决了高散热和流动不稳定性这两个问题。通过数值模拟和实验分析，评估了针肋尺寸和形状对流体流动和热传递特性的影响。结果表明，较大的针肋直径（例如d=0.10毫米）通过促进流体湍流和热边界层的发展显著提高了热传递性能，尽管这会导致压力降的增加。在各种针肋形状中，六边形和方形配置表现出更高的热传递效率，其中六边形针肋在Re=100时的性能评估参数PEC（Performance Evaluation Criterion）最高，达到了1.37。该研究强调了几何设计在平衡热传递增强和压力降方面的关键作用，为设计高功率电子应用中的先进微通道散热器提供了宝贵的见解。

引言

随着微电子技术的快速发展，电子芯片被广泛应用于通信、工业控制和航空航天等领域[1][2]。然而，随着芯片计算能力的提升，热流也随之增加。最近的研究表明，芯片的热流已达到1000 W/cm2[3]。当工作温度超过70–80°C时，芯片的可靠性会随温度每升高1°C而降低5%，故障率会呈指数级增加。超过工作温度是导致芯片故障的主要原因之一，占故障案例的55%[4]。因此，开发高效的热管理技术以解决芯片的高散热问题至关重要。

通过在微通道内加入扰流元件（如肋柱[5][6]、针肋[7][8]、沟槽[9][10]和腔体[11][12]），可以有效促进边界层流动，增强流动湍流，并显著提高热传递性能。针肋结构通过增加热传递面积和诱导涡流生成来实现改善微通道热传递特性的目标。此外，优化扰流元件的几何参数（如大小、形状和排列方式）可以在降低压力降损失的同时提高热传递效率，从而实现综合性能优化。常见的针肋形状包括圆形、矩形、六边形和三角形[13]。Derakhshanpour等人[14]设计了带有圆形针肋的微通道，结果表明圆形针肋可以促进混沌对流和热边界层运动，显著提高热传递系数。同时，减少肋间距对提高微通道热传递性能的影响比增加半径更为显著。Li等人[15]提出了一种带有梯度排列针肋和针翼的创新微通道，并通过数值模拟研究了不同梯度排列方式、相对直径和针肋及针翼高度对热传递性能和温度均匀性的影响。结果表明，这种创新微通道显著降低了底部表面温度并提高了温度均匀性，努塞尔数（Nusselt number）增加了195.1%。Alam等人[16]研究了带有针肋和针肋组合结构的微通道，发现改变针肋的数量和尺寸可以显著提高热传递性能，努塞尔数比传统微通道增加了25%。

带有针状肋的微通道结构与沟槽和腔体等扰流元件结合使用，已被证明是提高热传递和降低压力降的有效方法。Zhu等人[17]设计了带有矩形沟槽和不同针肋组合的微通道，研究表明沟槽和针肋的组合有效增强了热传递特性并降低了压力降，显著提高了整体性能。这归功于针肋的流动扰流效应和沟槽的低压力降特性。Wang等人[18]使用实验和数值模拟方法研究了带有针肋和沟槽的微通道在芯片冷却应用中的散热能力，结果表明带有针肋和沟槽的微通道的努塞尔数比光滑微通道提高了1.11–1.55倍。另一方面，腔体通过喷射和节流作用促进流体混合，而针肋通过增强流动湍流来提高热传递效率[19]。结合这两种特性可以实现综合性能的提升。Zhu等人[20]表明，微通道中滴状腔体和肋柱的组合可以显著提高整体性能，这是因为肋柱促进了流体湍流以增强热传递，而腔体扩大了流道面积以降低压力降。Ghani等人[21]设计了带有正弦形腔体和矩形肋柱的微通道，研究表明，与矩形微通道和单独的正弦形腔体微通道相比，针肋和腔体的组合有效提高了热传递和整体性能，最高整体性能参数达到了1.85。Xia等人[22]通过数值模拟研究了结合风扇形腔体和壁装针肋的微通道的热传递增强效果，发现组合微通道的努塞尔数可比矩形微通道高出三倍。Li等人[23]通过数值模拟结果表明，三角形腔体和矩形针肋的组合显著提高了微通道的热传递性能。Kareem[24]数值研究了内部管道和外部沟槽几何形状对层流和湍流条件下管道内热传递、熵产生和压力降的影响，结果表明带沟槽的管道在湍流和层流区域都显著提高了努塞尔数，尽管摩擦阻力较大。Chai等人[25]研究了五种针肋结构与矩形腔体结合对微通道的热传递增强效果，与直通通道相比，组合微通道显著降低了热阻和熵产生率。Sun等人[26]设计了带有针肋微通道的特斯拉阀型腔体，针肋诱导流体的周期性分离和汇聚，促进了热边界层的持续发展，从而显著提高了热传递和整体性能。腔体结构不仅增加了气泡的成核面积，还抑制了气泡回流。特斯拉阀型腔体表现出单向流动特性，有效抑制了蒸汽回流[27]。Han等人[28]设计了一种具有独特流道结构的特斯拉阀型腔体微通道，有效抑制了正向流动中的蒸汽回流，并在反向流动中增强了两相混合，显著提高了临界热流并改善了流动沸腾热传递特性。抑制通道内的回流可以减少流动不稳定性。Li等人[29]研究了结合特斯拉阀型腔体和毛细结构的微通道，这种设计通过特斯拉阀的整流效应和毛细结构的导流效应有效消除了蒸汽回流并促进了流体沿特斯拉阀和主通道侧壁的流动，显著增强了热传递性能。在后续研究[30]中，设计的特斯拉阀型腔体与针肋微通道进一步提高了流动沸腾性能，与无肋微通道相比，改进后的微通道实现了临界热流增加了128%，同时显著降低了壁温和压力波动。

总之，像针肋结构和腔体结构这样的扰流元件都可以增加气泡成核位点，降低开启核化（ONB）所需的壁温，从而增强流动沸腾热传递。然而，针肋结构存在过高的压力降问题，而腔体结构可能导致气泡过度聚集和形成流动停滞区，这些都对热传递性能不利。基于特斯拉阀腔体抑制回流和针肋增强热传递的优点，设计了一种特斯拉阀型微通道，并深入探讨了肋直径和形状对微通道热传递性能的影响，发现将针肋与腔体结构结合可以促进流动扰流并改善腔体内的流动停滞区形成，从而提高对流热传递效率。特斯拉阀型腔体已被证明具有优异的回流抑制效果，但目前研究中尚未充分探索针肋结构参数在增强热传递性能方面的潜力。因此，本文重点研究了不同针肋几何参数对特斯拉阀型微通道中流体流动和沸腾增强热传递特性的影响。

部分内容摘录

物理模型

本文设计了一种带有特斯拉阀的微通道（MCTV），并在通道中心布置了圆柱形针肋，形成带有特斯拉阀的针肋微通道，研究了针肋对微通道热传递性能提升的影响。通道计算区域的长度L=10毫米，宽度W2=0.2毫米，深度h=0.2毫米，具体原理如图1所示。整个微通道的总长度L=10毫米，宽度W……

测试装置和实验系统

图19显示了一个基于硅的微通道流动沸腾实验系统的示意图。该系统主要由齿轮泵、控制阀、蓄能器、过滤器、质量流量计、压力传感器、 differential pressure transmitter、实验测试段、背压阀、直流电源、温度记录器和恒温水箱组成。所有设备通过不锈钢管道连接，蓄能器周围包裹了绝缘材料。

结论

本研究通过数值模拟和实验分析系统研究了针肋尺寸和形状对特斯拉阀型微通道的流动和热传递特性的影响。主要发现如下：

1. 较大的针肋直径（例如d=0.10毫米）通过促进流体湍流和热边界层的发展显著提高了热传递性能。然而，这种提升是以增加压力降为代价的。

作者声明

刘平和：监督。Ke强：撰写——原始草案。吴军：监督。周晗：监督。王志文：监督。金毅：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了安徽省重点研发项目（资助编号2022a05020030）、国家自然科学基金（资助编号11805005）、国家地方联合工程研究中心（安徽科技大学）的安全精准煤炭开采独立研究基金（资助编号EC2022006）以及安徽科技大学研究生创新基金项目（资助编号2024cx2036）的支持。