翅片结构与纳米流体对微型板翅式散热器热-水力特性的耦合效应

《International Journal of Thermal Sciences》：Coupled effects of fin structures and nanofluids on the thermal-hydraulic characteristics of mini plate-fin heat sinks

　　摘要为了满足高热流电子元器件的散热需求，设计并制造了四种翅片几何形状的微型板翅式散热器，分别为直翅片（fa）、间断翅片（fb）、三角波纹翅片（fc）和梯形波纹翅片（fd）。采用去离子水以及质量分数为0.1 wt%和0.2 wt%的Al2O3-水纳米流体作为工质进行实验。系统研究了加热功率（30、45和60 W）、雷诺数（Re）、翅片几何形状以及工质热物性对散热器热特性和流动特性的影响，包括壁面温度、总传热系数、努塞尔数、压降、摩擦因子和泵送功率。结果表明，0.1 wt%纳米流体提供了最佳冷却性能，与去离子水相比，最高可将局部最大壁温有效降低2.13°C。在所测试的结构中，梯形波纹翅片（fd）与0.1 wt%纳米流体相结合展现出最优的综合热工-水力性能，在高热流条件下能量效率准则（EEC）达到3.4。然而，对于高粘度的0.2 wt%纳米流体，间断翅片（fb）因其对增厚热边界层的有效周期性破坏而表现出更优的EEC。尽管波纹结构增加了压降，但性能评价因子（j/f）和EEC结果表明，其传热强化在高热流条件下更为显著。这种改善归因于梯形波纹诱导的二次流与纳米流体增强导热系数之间的协同作用，该协同作用破坏了热边界层，并在泵送功率仅适度增加的情况下提高了整体性能。研究结果为理解翅片几何形状的作用以及评估使用纳米流体运行的类似散热器的综合性能提供了有益的指导。引言随着微电子器件向更高集成度和功率密度快速发展，热管理已成为进一步性能提升的主要瓶颈。微通道散热器（MCHSs）凭借其大的比表面积和紧凑的结构，被认为是高热流冷却的有效解决方案。然而，传统工质相对较低的导热系数限制了其进一步应用。纳米流体的出现为克服这一限制提供了有前景的途径。早在2012年，Seyf等人[1]就指出添加少量纳米颗粒可显著提高努塞尔数。随后Arora等人[2]和Ajeeb等人[3]的实验进一步量化了Al2O3纳米流体提供的传热强化，这为其在紧凑型冷却设备中的应用奠定了基础。为了在限制压降的同时强化传热，许多研究集中于微通道的结构优化。Jung和Park[4]以及Zhao等人[5]的早期工作表明，通道几何形状强烈影响热工-水力性能。随后的研究转向针翅和针柱结构：Wang等人[6]分析了针翅与涡流发生器的协同效应；Li等人[7]探讨了变截面针翅的优势；Arshad等人[8]比较了不同针翅几何形状与石墨烯纳米流体的耦合效应。最近的研究进一步扩展了设计空间。Al-Rashed等人[9]提出了截锥形翅片；Alatawi等人[10]设计了锥形-圆柱形组合结构；Günes等人[11]开发了弹簧形翅片。2024年至2025年间发表的研究证明了这些新型拓扑结构的强大散热潜力。波纹和弯曲通道作为被动传热强化策略也引起了广泛关注，因为它们可以诱导二次流并加强流体混合。Ajeel等人[12]早期对具有梯形和半圆形轮廓的波纹通道进行了比较，而Dominic等人[13]和Chen等人[14]研究了波纹和正弦波状起伏增强混合的机制。在此基础上，Kishore等人[15]和Khdher等人[16]进一步引入了挡板和弯曲梯形结构。Fouad等人[17]将热力学第二定律应用于部分填充多孔介质的波纹通道，Shah等人[18]设计了一种高度稳定的逆流发散微通道，Alsabery等人[19]探索了涡流发生器与波纹结构的耦合。这些研究表明，复杂的通道几何形状可以有效破坏热边界层并提高传热效率。为了追求最佳的散热性能，近期的研究日益关注多物理场耦合和复杂工质系统。例如，Alfaryjat等人[20]设计了具有六边形截面和凹坑表面的微通道，而Kumar等人[21]利用空腔和肋片来引导流体并产生涡流。Wang等人[22]设计了菱形交错翅片，并表明其能有效扰动边界层并诱导二次流。Wu等人[23]提出了双层交错翅片，其优化结果表明该系统能承受高达200 W/cm2的热流密度，同时保持安全的最高底面温度。Esmaeili等人[24]研究了用于高热流应用的分形微通道。Vinoth等人[25]在2025年优化了六边形蛇形通道，发现混合纳米流体产生最高的努塞尔数和传热率，并表现出优于单一纳米流体的性能。此外，Zhang等人[26]将磁性纳米流体与V形翅片结合以实现场协同，而Fathi等人[27]、[28]研究了传统多孔翅片和横流多孔结构。Siavashi等人[29]和Castillo等人[30]进一步研究了非牛顿和剪切稀化流体在复杂微通道中的流变和传热行为。尽管上述研究证明了复杂结构和先进工质的巨大潜力，但这些系统通常伴随着高制造复杂性和泵送功率损失。相比之下，关于基本波纹翅片几何形状与稳定单组分纳米流体之间耦合机制的系统对比研究仍然有限。大多数现有研究强调单一设计变量下的性能提升，并且基于EEC等综合准则在同一实验基准下对不同拓扑结构的详细评估仍然缺乏[12]、[13]、[14] [17]。在本工作中，设计并制造了四种翅片几何形状和三种通道间隙配置的微型板翅式散热器，分别为直翅片（fa）、间断翅片（fb）、三角波纹翅片（fc）和梯形波纹翅片（fd）。采用去离子水以及质量分数为0.1 wt%和0.2 wt%的Al2O3-水纳米流体作为工质进行实验。在不同加热功率下，系统研究了翅片拓扑结构与流体热物性对流动和传热特性的耦合影响。通过引入性能评价因子（j/f）和能量效率准则（EEC），本研究系统地探讨了这些微型散热器的宏观热工-水力性能趋势。基于实验结果和现有文献，还讨论了潜在的传热强化机制。章节片段实验装置实验系统如图1所示。如图1所示，实验系统由微型板式散热器测试模块、流动测试组件、温度控制组件和数据采集系统组成。这些组件通过硅胶管连接。实验过程中，泵驱动传热流体循环。当流体流经散热器通道时，吸收热源产生的热量，然后返回缓冲罐。热工-水力参数平均底面壁温（tw）定义为九个中心线热电偶读数的算术平均值：tw=1/9∑(i=1 to 9) ti为了处理非直通道（fb、fc和fd）的复杂几何形状，标称水力直径（Dh）严格基于最小横截面积定义。所有构型的水力直径（Dh）和平均流速（vm）计算如下：Dh=4Ac/P=2d′h0/(d′+h0)，vm=qvn/Ac=qvn/(d′h0)，其中Ac是单个通道的横截面积壁面温度本节考察了纳米流体对散热器壁面温度分布的影响。使用去离子水以及质量分数为0.1 wt%和0.2 wt%的Al2O3-水纳米流体，在不同雷诺数下比较了散热器fc2的壁面温度，如图5所示。在相同的运行条件下，纳米流体比去离子水提供更好的冷却性能。在三种工质中，0.1 wt%纳米流体产生最低的壁面结论本研究考察了翅片结构和纳米流体对微型板翅式散热器传热强化的耦合效应。特别关注了不同质量分数的Al2O3-H2O纳米流体在不同翅片几何形状散热器中的性能。通过分析散热器的热特性和流动特性，并同时使用性能因子和EEC，本研究阐明了纳米流体浓度和翅片拓扑结构如何共同影响整体CRediT作者贡献声明Ruitong Ding：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，验证，数据管理。Shentao Song：可视化，软件，调查。Jiang Pan：写作 – 审阅与编辑，监督，资源。利益冲突声明作者声明，他们不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。致谢本研究由浙江省自然科学基金白马湖实验室联合基金资助，项目批准号：LBMHZ26E060004。Ruitong Ding|Shentao Song|Jiang Pan