在凹槽-锥形复合微通道中，通过增强热点抑制效应和改善两相沸腾性能，实现高热流电子器件的稳定运行

《International Journal of Thermal Sciences》：Enhanced hotspot suppression and two-phase boiling performance in groove–tapered composite microchannels for high heat flux electronics

　　•带槽的锥形微通道将热点温度降低了19.96 K（PEC≈2.0）。•优化了汽液分布并延迟了环流。•泵送功率降低了57.63%，同时保持了稳定的两相沸腾性能。•对于高功率电子设备的冷却，传热系数提高了56.61%。

引言
下一代先进技术的快速发展，包括5G通信、人工智能、高性能计算、新能源汽车的电力电子控制系统以及航空航天电子设备，推动了电子设备向前所未有的集成度、小型化和超高功率密度发展[1] [2]。随着芯片特征尺寸的不断缩小，三维封装变得越来越普遍，功能密度进一步增加，严重的局部热量积累和强烈的热点热流成了限制设备性能、运行稳定性和长期可靠性的关键瓶颈。在这种极端的热负荷条件下，确保在高热流和空间非均匀加热情况下的有效散热和可靠的热管理成为下一代电子系统设计中的关键挑战。与传统的热管理方法相比，微通道流动沸腾因其优越的潜热利用能力、高传热强度、紧凑的结构和较大的比表面积而被广泛认为是一种非常有前景的解决方案[3] [4]。因此，它在数据中心、新能源汽车的电动驱动系统、航空航天设备、高功率激光器和储能系统中展示了强大的应用潜力[5] [6]。尽管具有出色的传热潜力，微通道流动沸腾仍面临一些实际挑战，如流动不稳定性、过早的局部干燥和过高的压力损失[7] [8]。为了更好地平衡传热增强和流动稳定性，将多个功能导向的微结构单元集成在一个通道中的复合微通道设计引起了越来越多的研究关注。现有研究表明，复合微结构在整体热液性能上优于单一结构设计。例如，在雷诺数（Re）超过300的情况下，腔体结构和微肋的组合比单一结构配置具有显著更大的传热增强效果[9]。在100 ≤ Re ≤ 800的范围内，一种结合正弦形腔体和矩形肋的复合结构在Re = 800时的性能评估标准（PEC）为1.755[10]。同样，一种将液滴形腔体与椭圆形肋柱结合的混合配置在肋宽α = 0.3和肋-腔体间距ξ = 0.5时，获得了1.513的综合传热性能系数[11]。此外，肋和二次流道的协同排列可以减轻局部流动阻塞并抑制过高的压力损失，从而在Re = 800时获得1.98的PEC[12]。这些发现表明，复合微结构的性能提升本质上源于局部传热增强、有效主流流动组织以及可控流动阻力之间的协调作用。

在各种复合热增强策略中，带槽和锥形的微通道因其互补机制而特别值得注意。带槽结构通过增加有效传热面积、诱导局部流动扰动和促进气泡成核来提高沸腾传热[13] [14]，尽管由此带来的形状阻力增加可能会部分抵消这些好处[15]。相比之下，锥形结构通过逐渐扩大的横截面积来减轻蒸汽限制、延迟下游干燥并提高流动稳定性[16] [17] [18]；然而，单独使用时它们增强局部沸腾的能力有限。最近的研究表明，带槽-锥形复合微通道可以將传热系数提高28.1%，同时将压力损失降低42.3%，突显了其强大的热液协同性能[19]。因此，带槽-锥形复合微通道代表了一个有前途的结构平台，能够同时提高传热并保持稳定的兩相流动。

与此同时，随着高功率密度芯片、三维集成和先进封装技术的快速发展，电子设备内部的 heat generation 已变得越来越不均匀。现在局部热流通常远超平均水平，导致严重热点的形成[20]。与均匀加热条件相比，热点引起的峰值温度升高、热应力集中和陡峭的温度梯度对设备的可靠性、使用寿命和运行稳定性构成了更大的风险[21] [22]。先前的研究表明，局部增强结构可以有效缓解热点引起的热恶化。例如，在Re = 200时，引入局部增强特征可将热点温度升高率降低30.6%，同时显著降低峰值温度并提高温度均匀性[23]。通过将局部表面积增强与强化微结构相结合，允许的热点热流可增加到1900 W/cm2[24]。不同的通道几何形状也被证明对非均匀热点冷却有效[25]。例如，一种具有宽背景通道和窄热点通道的歧管微通道设计在热点热流为150 W/cm2和背景热流为20 W/cm2的情况下，可以将温度波动降低57%[25]。对于在极端非均匀加热下的GaN设备，嵌入式微结构已被证明可以在平均热点热流为30 kW/cm2和平均芯片热流为550 W/cm2的情况下，保持结温低于150.3°C，并且维持可接受的压力损失水平[26] [27]。同样，在热点热流为250–750 W/cm2和背景热流为250 W/cm2的情况下，优化的针-鳍密度可以将峰值温度保持在65°C以下。这反过来在热管理、温度均匀性和流动阻力之间建立了有利的折中[28]。总体而言，这些发现表明，热点冷却本质上是一个系统级优化问题，涉及局部增强能力、横向热扩散效率和泵送功率消耗，而不仅仅是简单地追求强化的局部传热。

除了结构设计之外，流动配置是另一个控制热点冷却性能的关键因素，特别是在并行多通道系统中。通过重塑流场匹配、温度分布和通道间流动重新分配，同向流和逆向流布局可以显著影响传热性能和运行稳定性。先前的研究表明，与传统的同向流微通道相比，逆向流配置可以将临界热流（CHF）提高40.6–100.5%，提高平均两相传热系数70.4–83.6%，并降低两相压力损失17–32.6%[29]。此外，正弦壁逆向流微通道可以改善温度均匀性，抑制干燥和回流，并促进更稳定的两相流动行为[30]。在一个分叉的逆向流歧管微通道中，甚至在低入口温度和低质量流动条件下也表现出异常高的性能系数75,675[31]。这些发现证实，流动配置不仅仅是一个几何排列，而是决定微通道系统热液性能和流动稳定性的关键设计参数。

尽管在理解带槽-锥形复合微通道内界面力调节方面取得了进展，但在将其应用于现实的高热流热点热管理方面仍存在关键的知识空白。特别是，平行复合微通道在两相流动沸腾下的热响应和热液耦合特性尚未完全了解。此外，描述同向流和逆向流配置如何影响热点抑制、流动模式演变和系统稳定性的统一定量框架仍然缺乏。为了解决这些空白，本研究在局部高热流条件下调查了同向流和逆向流配置下的带槽-锥形复合微通道。特别关注了结构设计和流动配置对温度响应、两相流动模式演变和整体热液性能的影响。

本研究阐明了复合微结构增强和流动配置调节通过哪些协同机制来抑制热点并提高系统级别的热流体性能。这些发现为下一代高功率电子设备中的高效热管理提供了理论基础和实用设计指导。

**部分章节摘要**
**几何建模和流动配置设计**
图1展示了在并行微通道系统中采用的两种典型流动布局，旨在揭示在局部非均匀高热流条件下的热流体特性。具体来说，图1(a)描绘了同向流微通道（CCM）配置，其中工作流体在所有平行通道中以相同方向流动。相比之下，图1(b)显示了逆向流微通道（CFM）配置，其中相邻微通道呈现相反的流动方向。

**微通道流动沸腾模拟的数值方法**
在本研究中，采用计算流体动力学（CFD）方法对微通道中的两相流动沸腾进行了三维瞬态数值模拟。主要目标是解决相关的热流体现象，包括气泡成核和动态、流动模式演变、界面相变和温度响应，从而揭示不同微通道结构和流动相关的热液机制。

**热点和背景区域中的温度响应特性**
热点和背景区域中的温度响应受施加的热点热流的强烈控制。微通道结构设计主要决定了热点抑制的有效性。然而，流动配置在通道间热量重新分配和最终的整体温度均匀性中起着主导作用。图5展示了在不同热点热流（qH = 600-1200 kW/m2）下，光滑微通道的温度等高线。

**结论**
本研究调查了在局部非均匀高热流条件下复合微通道中的热点热管理，特别关注微通道结构和流动配置对温度响应、两相流动演变和整体热液性能的影响。主要结论总结如下：
(1) 复合微通道显著抑制了热点温度升高并提高了温度均匀性。随着qH从600增加到...

**作者贡献声明**
王国平：撰写——原始草稿、软件、方法论、数据分析、概念化。翟玉玲：撰写——审稿与编辑、软件、资源、方法论、调查研究、资金获取。李周航：软件、资源、方法论、调查研究、概念化。王华：软件、资源、调查研究、资金获取。

**利益冲突声明**
我们声明与可能不当影响我们工作的其他人或组织没有财务和个人关系，也没有任何形式的专业或其他个人利益会影响所呈现的观点或对题为“增强型带槽-锥形复合微通道中的热点抑制和两相沸腾性能”手稿的审查。

**致谢**
该项目得到了国家自然科学基金（52266002）和云南省基础研究项目（202401AT070380）的支持。

王国平 | 翟玉玲 | 李周航 | 王华