逆流模式下流向变高度翅片微通道散热器热性能与温度均匀性的数值研究

《Energies》：Numerical Simulation of the Thermal Performance of a Microchannel Heat Sink with Variable-Height Fins in Counter-Flow Mode

　　

本文提出一种逆流布置下带变高度翅片的新型散热器，并通过三维数值模拟系统研究其热性能。主要目标是通过改变流动布置和翅片结构设计来优化微通道散热器（microchannel heat sink）的热性能。结果表明，逆流（counter-flow）布置可显著降低最大底面温度，形成中心对称温度场，并提高底面温度均匀性（temperature uniformity）。在所有提出的变高度翅片（variable-height fins）方案中，线性上升–下降高度翅片（linearly rising–descending-height fin, LRDHF）模型能有效降低峰值温度并提高底面温度均匀性。在热流密度 q_w = 2.5 × 10⁶ W/m² 和 Re = 200 条件下，最小底面温度和绝对平均温差可分别降至339.9 K和0.65 K。参数分析表明，在固定换热面积下，增加通道宽度同时降低通道高度会恶化微通道散热器的热性能。此外，建立了适用于本文所考虑LRDHF模型的高精度流动与传热经验关联式，摩擦因子（friction factor, f）和Nusselt数（Nu）关联式的平均误差分别不超过10%和8%。该研究验证了将流向变高度翅片结构与逆流布置相结合的协同效益，为高性能微通道散热器设计提供了一种有效优化策略。

研究背景与问题：随着半导体技术快速发展和高性能电子器件市场需求上升，器件集成密度显著提高，电子器件热功率密度急剧增加，热管理已成为系统可靠性和寿命的关键瓶颈。微通道散热器因与高密度集成器件具有良好封装兼容性以及极高表面积体积比，被认为是紧凑电子系统高通量热管理的有前景方案。在多种强化技术中，在通道内布置特定图案翅片因强化传热潜力较大而受到关注。既有研究表明，翅片几何形状显著影响微通道热工水力性能（thermo-hydraulic performance），如交错花瓣形翅片可缓解局部热点、三叶形肋可提高高Re下强化因子；仿生结构虽常优于常规直通道，但几何复杂、制造困难，实际应用受限。因此，结构优化仍集中在常规构型，包括通道几何和翅片结构修改。温度均匀性（temperature uniformity）也是关键指标，内部温度梯度会诱发热机械应力并降低可靠性；已有肋、腔、涡发生器和二次流道等结构可改善底面温度均匀性。结构梯度变化也是有效途径，Shen et al.优化了通道中心垂直分叉位置，Feng et al.开发了嵌入式梯度分布针肋阵列，Li et al.通过改变翅片形状和布置改善温度均匀性。既有结构优化多局限于通道几何、翅片形状和高度，且在常规平行流布置下实施；两个关键问题未被充分解决：流向非均匀翅片配置在理论上可补偿沿流向逐渐恶化的局部换热系数，但其潜力尚未系统开发；逆流配置虽可通过通道间热耦合促进温度均匀性，其热工水力特性关注较少。为此，研究人员提出逆流微通道散热器并配置流向变高度翅片，其双机制依据为：翅片沿流向高度渐变可自适应匹配衰减的局部热需求；逆流布置可建立中心对称热场，将热点移至中部，从而规避平行流系统出口侧过热。该工作与已有研究存在一定相似性，但后者未专门研究高度变化范围对微通道散热器性能的影响；本文进一步深入研究该方面，并在逆流条件下开展，以考察变高度翅片与逆流模式的协同作用，这也构成本工作的新颖性。

关键技术方法：研究人员采用三维共轭传热（conjugate heat transfer）数值模拟，建立由两个相邻且流向相反通道组成的计算单元；使用ANSYS Fluent 2022 R1有限体积法，SpaceClaim建模，ANSYS Meshing生成结构化六面体网格并进行近壁加密；采用SIMPLE压力–速度耦合、二阶迎风格式和Gauss–Seidel求解，连续性、动量、能量方程残差阈值分别为10^?6、10^?3、10^?6；通过网格独立性检验选取Set 3，偏差均在1%以内，并与已有UHF和LDHF模拟数据、实验压降与水温变化数据及MC-RPF实验数据比较，验证结果处于可接受偏差范围。工质为不可压缩水，固体材料为铜，Re = 200–600，层流稳态，底面热流密度q_w = 2.5 × 10⁶ W/m²，水物性随温度变化；比较UHF参考方案及LRHF、LDHF、SRHF、SDHF、LRDHF等翅片高度方案，并开展通道宽高参数分析。

研究结果：3.1 平行流与逆流比较：通过UHF在Re = 200下的底面温度分布及Re = 200–600下T_max和ΔT_max比较发现，平行流沿流向温度梯度明显，逆流形成较对称温度场且热点集中于中部，最大底面温度更低；逆流下入口与出口位于对侧，冷却剂沿程吸热升温后可与相邻通道较冷冷却剂通过固体翅片壁换热，使热流体部分放热并重新建立较大换热温差；入口段被相邻通道预热而升温，后半段被冷却而降温，最高温度出现在通道中部；平行流相邻通道横向换热可忽略，温度沿流向持续升高，最高温度出现在出口。随Re增加，两种布置T_max均下降；平行流ΔT_max随Re快速下降，逆流下降较缓，原因在于逆流温度变化在空间上更受限制。3.2 变高度翅片的影响：3.2.1 流动压降：通过全高度范围压降对比及压力、速度云图发现，变高度翅片压降均大于UHF；UHF周期变化流通截面使压降主要由形状阻力主导，变高度翅片因流通截面变化引起连续速度波动、收缩/扩张损失、流动分离和涡，额外增加流阻；UHF翅片间速度几乎为零，而变高度模型翅片间存在明显速度，增强近翅片流体混合；流通截面越小，流速越高，混合和传热越强；与已有研究趋势一致，本文逆流条件下LRDHF与LRHF压降差较大。3.2.2 热性能：通过固定翅片换热面积下T_max和绝对平均温差比较发现，所有变高度翅片T_max均低于UHF，源于变高度翅片强化冷却剂扰动并在垂直方向促进混合，提高对流换热系数；最大高度变化范围下变高度模型绝对平均温差小于UHF，说明沿流向变高度可降低峰值温度并改善均匀性；入口效应使入口区热边界层薄、局部换热强，高度变化影响较小；沿程流体吸热升温，逆流中流体温度在中部达峰后下降，线性升高翅片可补偿热性能退化；LDHF和SDHF入口高翅片强化入口换热，上游强换热可补偿下游恶化；LRDHF在进出口低、中部高，与逆流沿程温度先升后降相匹配，在中部换热温差最小区提供最大换热面积，故热性能最优；温度云图显示除LRDHF外其他模型冷热区分布近似，LRDHF热区位于两侧而非中央，因中部面积增大产生的热增强抵消流体–固体温差降低，降低中央温度。3.2.3 综合性能：通过不同高度变化范围下T_max、ΔP、绝对平均温差、Nu、PEC和φ_ave比较发现，同工况下上升高度翅片T_max低于下降高度翅片但ΔP更高；下降高度翅片绝对平均温差较低但T_max较高；LRDHF的T_max最小，低Re下均匀性最好，随Re变化较弱，但压降较高；UHF压降低但热性能较差。T_max随高度变化范围减小而增加，UHF最大；热增强程度与高度变化程度正相关；LRDHF在各范围T_max最低；变高度模型ΔP均高于UHF，范围越大T_max越低但ΔP越高；变高度模型绝对平均温差均低于UHF，范围减小则均匀性恶化。LRDHF的Nu均高于UHF，0.5–0.7 mm增幅较小，0.4–0.8 mm更明显，0.3–0.9 mm增益不再上升反而下降。LRDHF逆流T_max低于平行流，且逆流与平行流T_max差在变高度模型中放大，显示协同；两者ΔP几乎无差，因压降主要受通道几何控制。LRDHF绝对平均温差随高度变化范围减小呈先降后升的非单调趋势，在0.4–0.8 mm最小。PEC方面，LDHF和SDHF最高，LRHF和SRHF最低且随范围变化小；LRDHF中等，范围缩小时PEC下降；PEC<1表示劣于UHF，PEC>1表示优于UHF。φ_ave方面，除LRDHF外均随范围减小单调下降，LRDHF在0.4–0.8 mm最大。综合PEC与温度均匀性，SDHF 0.3 → 0.9 mm的PEC最高，但LRDHF 0.4 → 0.8 mm温度均匀性最佳；SDHF平均PEC仅比LRDHF高7.92%，而LRDHF的φ_ave比SDHF高至153.4%，且LRDHF 0.4 → 0.8 mm的T_max略低于0.3 → 0.9 mm且与其他最大范围模型相当，故为高均匀性需求场景的更优候选。3.3 几何参数的影响：通过固定总换热面积下五种宽高组合的ΔP、底面温度云图、T_max、Nu和绝对平均温差比较发现，ΔP随通道宽度减小和高度增加而增大，W = 0.3 mm、H = 1.05 mm时最大且随Re增大幅增，W = 0.7 mm、H = 0.85 mm时最小；窄高通道水力直径小，同Re下流速高，侧壁面积大导致剪切应力增大，流阻升高。平均底面温度随通道宽度增加和高度降低而升高，宽度超过0.4 mm时急剧升高；小宽大高通道T_max较低，W = 0.3 mm、H = 1.05 mm与W = 0.4 mm、H = 1.0 mm近同，进一步增宽则T_max显著升高；固定面积下增宽降高使水力直径增大，同Re入口速度降低，对流换热减弱。除W = 0.3 mm、H = 1.05 mm外，各构型Nu较接近；该构型T_max最低但Nu最小，因其水力直径较小抵消了对流换热增强。绝对平均温差一般随宽度减小和高度增加而降低；窄高通道在低Re下绝对平均温差较高，随Re增加下降更快，Re = 600时显著较低；宽薄通道水力直径大，流速随Re增幅小，均匀性改善较温和。3.4 流动阻力与传热关联式：通过引入通道纵横比（aspect ratio, α）和翅片高度变化比（fin height variation ratio, η）拟合并比较f和Nu关联式发现，f关联式R² > 0.95，平均相对误差小于7%，最大不超过10%；Nu关联式R² > 0.95，平均相对误差小于4%，最大不超过8%；适用范围为200 ≤ Re ≤ 600、0.4 ≤ η ≤ 2、0.286 ≤ α ≤ 0.824；关联式基于本文数值数据，适用于初步设计估计，拟合样本各40个，仅适用于本文LRDHF（0.4–0.8 mm）模型且工质为水，扩展适用性仍需进一步实验和数值研究。

讨论部分总结：在固定总换热面积下，变高度翅片可降低T_max并改善底面温度均匀性，但热增强伴随ΔP惩罚，体现传热强化与流阻增加之间的权衡；LRDHF的进出口低、中部高布局与逆流温度场匹配，并与逆流布置产生协同，使T_max进一步降低；SDHF在PEC上最优，而LRDHF（0.4 → 0.8 mm）以较小PEC牺牲获得显著更优温度均匀性，适合对峰值温度或温度均匀性敏感的场景；通道宽高变化在固定换热面积下显著影响热工水力性能；所建关联式具有较高精度但适用参数范围有限。

研究结论翻译：（1）与平行流布置相比，逆流配置实现中心对称温度分布，热点位于中心区域，从而降低最大底面温度并提高温度均匀性，使逆流微通道散热器更适合需要精确热管理的应用。（2）在固定总换热面积下，与UHF设计相比，所有变高度翅片配置均表现出更低的最大底面温度并改善底面温度均匀性；然而，该热改善伴随ΔP增加，其来源于翅片间区域反复流动收缩和扩张以及涡生成。（3）在五种变高度翅片配置中，LRDHF在所有翅片高度范围内获得最低峰值底面温度和绝对平均温差。仅比较PEC时，翅片高度变化范围为0.3 → 0.9 mm的SDHF配置具有最大PEC和最优热工水力性能；然而LRDHF（0.4–0.8 mm）模型的温度均匀性远优于其他模型，同时平均PEC差距相对较小，因此对于高温度均匀性要求场景，LRDHF（0.4–0.8 mm）是更好的选择。（4）在固定换热面积下，通道宽度和高度变化显著影响热工水力性能；增加通道宽度同时降低通道高度会导致最大底面温度升高和底面温度均匀性恶化，但ΔP降低。（5）基于数值结果，为本文所考虑的LRDHF配置建立了高精度的摩擦因子和Nusselt数经验关系式。