波浪形微通道散热器中采用扇形肋片与逆流布置的协同热工水力强化及温度均匀性

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Synergistic thermo-hydraulic enhancement and temperature uniformity in wave microchannel heat sinks using fan-shaped ribs and counter-flow arrangement

　　

本文开发了一种具有扇形肋片的新式逆流波形微通道结构。通过几何优化确定了最佳肋片构型。实现了热工水力性能的协同优化。优化后的设计使散热能力提升17.39%。引言 电子技术的进步推动了电子元件的微型化、精密化和集成化，导致电子芯片的热流密度持续增加[1]。先进电子设备通常产生100–500 W/cm2的热流密度，而局部热点可能超过1000 W/cm2，在极端运行条件下甚至接近5 kW/cm2[2]、[3]、[4]。过度的热量积聚会显著降低器件可靠性，最终导致不可逆失效[5]。研究表明，电子芯片的工作温度通常在85 °C至100 °C之间[6]。此外，温度分布不均匀可能加速元件退化，工作温度每升高1 °C，可靠性约降低5%[7]。因此，亟需能够同时实现高散热能力和均匀温度分布的冷却技术。微通道散热器因其冷却效率高、体积小、功耗低而被广泛应用[8]，因此非常适合高热流密度电子芯片的散热。自从1981年Tuckerman和Pease开发了微通道散热器[9]以来，大量研究致力于通过几何优化和流动调控来提升热性能。各种强化策略，包括改进的通道几何形状和嵌入式结构，已被提出以增强流体混合、增加换热面积并改善对流换热特性[10]、[11]、[12]。这些工作推进了对微通道内气泡运动、流动模式演化和流动不稳定性的理解[13]、[14]、[15]。然而，强化方法仍面临关键挑战。引入内部结构通常以增大流动阻力为代价来提升换热，导致压降升高和额外的泵功需求[16]。此外，维持温度均匀性仍然困难，特别是在高热流条件下，可能会出现下游热量积聚和局部热点。因此，在换热增强、水力性能和温度均匀性之间取得最佳平衡仍然是微通道散热器面临的一个难题。在直微通道中，流线近乎平行，边界层增厚导致壁温持续恶化[8]。为解决这些问题，研究人员提出了波形微通道。曲率诱导的二次流，尤其是迪恩涡，能够增强流体混合并不断更新热边界层，从而改善换热。Sui等[17]、[18]通过实验和模拟发现，波形通道中产生的迪恩涡沿流动方向变化，对增强换热贡献显著。Ghorbani等[19]进一步报道，增加振幅与波长的比值可以提高迪恩数并在低雷诺数下改善热输运性能。Zhong等[20]提出了一种四壁波形微通道。通过模拟发现，与光滑壁微通道相比，其最大努塞尔数提高了3.87倍，热阻仅为原来的0.41倍，综合性能评价准则的最大值达到2.17。在此基础上，Zhang等[21]提出了一种弯曲波形通道，发现与常规波形通道相比，振幅为0.4 mm和0.8 mm的弯曲微通道的努塞尔数分别增加了44.3%和15.3%。尽管波形微通道展现了优异的换热性能，但其流场仍存在速度分布不均的问题。波谷附近形成的低速区域可能削弱局部对流，限制热性能的进一步提升。因此，需要额外的优化方法来克服波形微通道的固有局限。在波形微通道中引入肋片或翅片是增强换热的有效途径。各种肋片几何形状，包括矩形[22]、圆形、椭圆形[23]和泪滴形[24]结构，已被研究以增加换热面积、扰动热边界层并产生二次流。Alkhazaleh等[25]通过实验和模拟研究了带圆形销翅片（MEMS）的波形微通道。与直微通道相比，在雷诺数250至1250范围内，MEMS的热阻降至原来的0.43至0.72倍，泵功增加了2至3.7倍。Murthy等[26]通过实验和数值方法研究了带微腔室和微插入件的波形微通道换热器，实现了最大努塞尔数8.31，摩擦系数降低了2.87%，综合性能评价准则改善了62.97%。Zhu等[27]报道，集成到正弦波形通道中的矩形翅片可以重新引导流动并增强对流换热，在雷诺数800时努塞尔数为4.16。G?nül等[28]进一步表明，流线型翅片与收缩-扩张壁结合可显著提升换热性能。与直微通道相比，换热效率可提高多达4.79倍，压降提高9.87倍，综合性能评价准则约为2.23。然而，尽管肋片结构能有效增强换热，但通常会引入额外的水力阻力。更重要的是，顺流布置在入口和出口区域之间仍存在显著的温度梯度，限制了高热流条件下的温度均匀性。因此，仅靠结构强化无法完全满足热性能和温度分布的耦合要求。在逆流微通道（CFM）散热器中，工作流体从两侧进入微通道，相邻通道的流动方向相反。因此，CFM中不会出现过高的壁温。Li等[29]通过实验证明，双向逆流微通道相比传统顺流通道的换热系数提高了36.6%–56.7%，临界热流密度增加了33.8%–57.2%。此外，研究人员发现，在所有实验条件下，BCF微通道显著降低了压降。Jiang等[30]使用扩张式逆流微通道，在600 kg/(m2·s)的质量流量和140 °C的壁温下实现了3525 kW/m2的热流密度。Shah等[31]设计了一种带集成微结构的逆流扩张微通道。在微通道底部集成了梯度微腔和微销翅片结构以增强成核位点密度。这使得有效热流密度增加了201.12%，两相换热系数提高了124%。Pei等[32]将正弦壁与逆流布置结合，实现了305 W/cm2的热流密度并改善了温度均匀性。这些研究证实了逆流布置在高性能散热方面的潜力。然而，现有研究主要关注单一的强化方法，包括波形结构、肋片结构或逆流布置。（1）波形微通道产生二次流但仍含有限制换热增强的高速区域。（2）肋片结构能有效扰动热边界层并增强对流换热，但不可避免地增加了流动阻力和压降损失。（3）逆流布置可以改善温度均匀性，但其与波形壁和肋片结构的集成研究较少。因此，开发一种能够同时增强换热性能、减少温度不均匀性并保持最优水力特性的集成微通道结构仍然是一个挑战。为弥补这些不足，本研究提出了一种带扇形肋片的波形微通道散热器（WMFR）和一种带扇形肋片的逆流波形微通道散热器（CFWMFR）。以水为工作流体，通过模拟研究了这些构型的热工水力性能。分析了扇形肋片的几何参数，包括肋片厚度比、肋片高度比和相对间距的影响。在每个通道质量流量约为0.5至1.0 g/s、热流密度为150 W/cm2的条件下，评估了换热性能、压降和温度均匀性。本研究旨在揭示波形壁、扇形肋片和逆流布置之间的协同增强机制。散热器几何结构 图1展示了带扇形肋片的波形微通道散热器（WMFR）和带扇形肋片的逆流波形微通道散热器（CFWMFR）。它们由12条波形微通道组成。散热器的底面积为21 × 21 mm2，高度为4 mm。正弦壁面的波长λwave和振幅Awave分别为1.5 mm和0.3 mm。微通道的宽度为1 mm，深度为2 mm，壁面厚度为0.7 mm，长度为21 mm。微通道底部与热源接触。WMFR的热工水力性能分析 在热流密度为150 W/cm2、质量流量为0.70 g/s时，截面z = 3 mm处的局部流线、压力和温度分布见图6。图6(a)中的流线分布表明，波形微通道的流体混合能力有限。主流速度保持稳定且均匀，仅在波谷处形成微弱涡旋。这些涡旋对中央主流影响较小，流线保持平直且未受明显扰动。结论 本研究提出了一种新型带扇形肋片的波形微通道散热器（WMFR）和一种带扇形肋片的逆流波形微通道散热器（CFWMFR）。通过调节肋片厚度、高度和间距优化了流动阻力。在热流密度为150 W/cm2、质量流量在0.5 g/s至1.0 g/s之间进行了模拟。评估了这些设计的热工水力性能。主要结论如下：（1）与CRediT作者贡献声明 Yu Yuanping：撰写-初稿、软件、调查研究、形式分析、数据整理。Sun Jing：可视化、验证。Zhang Yujiao：可视化、形式分析。Cheng Qing：撰写-审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念设计。利益冲突声明 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。致谢 本论文的研究工作得到国家自然科学基金（编号：52176008）的支持。Yu Yuanping | Sun Jing | Zhang Yujiao | Cheng Qing