锯齿形多孔翅片对微通道热性能的改善

《Results in Engineering》：Microchannel thermal performance improvement via zigzag shape porous fin

　　

本研究中，研究人员对配备锯齿形多孔翅片的微通道的热工水力性能进行了数值研究。分析聚焦于几何参数的影响，包括锯齿数量、不同通道区域（入口、中间和出口）的紧凑度强度，以及多种锯齿方向组合的综合影响。系统地评估了压降、热阻、努塞尔数（Nusselt number）和性能评价因子（PEF）等关键性能指标。结果表明，增加锯齿数量通过将部分主流分流至多孔区域增强了对流换热；然而，这种改善伴随着压降的升高。区域分析揭示，在通道中间部分施加锯齿紧凑度可在强化换热与水力损失之间实现最有利的平衡。此外，通过组合不同锯齿图案形成的新型构型展现出优越的热工水力性能。与传统实体和并行多孔翅片相比，优化的锯齿形多孔构型显著改善了传热和整体性能，在所研究的雷诺数（Reynolds number）范围内，特别是在较高雷诺数下，PEF提升了约105–120%。

**论文解读：锯齿形多孔翅片对微通道热性能的改善研究**

**1. 研究背景与问题**

随着电子设备功耗和热密度的持续增长，热管理成为电子系统设计中的关键挑战，亟需有效的方法来增强散热。微通道热沉（microchannel heat sink, MCHS）因其高传热速率、低重量和尺寸、成本效益、广泛适用性、长寿命及制造灵活性等优势，成为高密度散热器件中最有效的散热方式之一。然而，在微通道设计中需平衡两个主要参数：高传热速率和低压降。许多研究人员通过改变通道形状、引入肋片表面、涡流发生器及使用高导热流体（如纳米流体）来寻求解决方案。其中，翅片（fins）的引入通过增加有效表面积并协同传导和对流机制，显著提升了总传热速率。但传统实体翅片在增强传热的同时会引发显著的压降，增加机械功耗。为此，多孔翅片（porous fins）作为一种有效替代方案被提出，其通过增加流体-壁面相互作用面积、促进流体混合、降低热阻及改善温度均匀性等机制来增强传热。然而，多孔介质虽能改善热性能，也可能增加压降，因此需优化设计以平衡传热增强与水力损失。尽管已有研究探索了锯齿形多孔翅片，但仅限于简单锯齿构型，缺乏对锯齿数量、紧凑度及空间排布等关键参数的系统分析。为填补这一空白，本研究旨在系统研究锯齿形多孔翅片几何参数对微通道热工水力性能的影响，为高效微通道热沉设计提供指导。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用数值模拟方法，基于有限体积法（FVM）在ANSYS Fluent中求解耦合的流体流动与传热控制方程。几何模型选取一个对称微通道单元作为计算域，工作流体为水，多孔翅片材料为铝，孔隙率设为0.3。使用结构化网格并进行了网格无关性验证。模型通过与Hetsroni等人实验数据及Gong等人数值结果的对比进行了验证。研究按几何构型分为三类：Type A（锯齿数量影响）、Type B（锯齿紧凑度在不同区域（入口、中部、出口）的影响）、Type C（多种锯齿方向的组合影响）。性能评估指标包括压降、热阻、努塞尔数（Nusselt number, Nu）和性能评价因子（Performance Evaluation Factor, PEF）。

**3. 研究结果**

**3.1. 锯齿数量的影响（Type A）**
研究通过压力分布云图、流线图及截面速度压力分析发现，增加锯齿数量会延长流动路径并增加弯曲度，导致摩擦阻力（剪切阻力）和局部阻力（形状阻力）增大，从而压降升高。流线图显示，锯齿形排列使部分主流进入多孔区域，增强了对流换热。温度分布表明，锯齿角度增大使底部表面温度分布更均匀，热阻降低，在Re=1500时，从CaseA1到CaseA5热阻下降约6.3%。努塞尔数随锯齿数量增加而提升，最高达8.53%。PEF（性能评价因子）在低雷诺数下CaseA1最优，但在高雷诺数下CaseA3成为最有效设计，表明存在最优锯齿构型。

**3.2. 不同区域紧凑度的影响（Type B）**
将通道分为入口、中部、出口三区域，分别施加锯齿紧凑度。压力分布显示，紧凑度在中部（Case B2）时所需压降最小，在出口（Case B3）时最大。温度分布表明，出口紧凑度（Case B3）获得最低温度，热阻最小，努塞尔数最高。PEF分析表明，在较高雷诺数下，中部紧凑度（Case B2）取得最高性能，而入口紧凑度（Case B1）性能最差。因此，就PEF准则而言，中部区域是锯齿图案的最有效位置。

**3.2.1. 中部区域紧凑度强度的影响**
进一步研究发现，增加中部区域的锯齿紧凑度使压降增大，但热阻降低，努塞尔数升高。然而，PEF揭示了一个关键权衡：虽然增加锯齿增强了传热，但也增加了压降。在较高雷诺数下，除CaseA2外，各案例PEF趋于相近值（约2.18），表明高雷诺数下案例特定参数影响减弱。

**3.4. 组合不同类型锯齿的影响（Type C）**
在中间区域组合不同锯齿图案，形成新型设计。压降方面，CaseC4最高，CaseC1最低；努塞尔数和热工水力性能在CaseC5达到最大值。PEF随雷诺数增加而上升，CaseC5和CaseC6在较高雷诺数下表现出最高PEF值，表明几何参数影响在高雷诺数下更显著。

**3.4. 与传统翅片的比较**
与传统实体并行翅片和多孔并行翅片相比，新型锯齿形多孔构型（CaseA2和CaseC5）压降显著增大，但热阻更低，努塞尔数更高，PEF明显提升。其中CaseC5在研究的雷诺数范围内相对于实体翅片PEF提升约105–120%，尤其在较高雷诺数下表现最佳。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出，锯齿形多孔翅片通过促进主流进入多孔区域强化对流，但需权衡压降增加。区域分析表明，中部紧凑度最有利于平衡传热与水力损失；组合图案进一步优化了性能。结论部分总结如下：
- 增加锯齿数量通过促进流向多孔区域的流动分流增强了对流换热，但导致压降升高。
- 较高的锯齿取向角降低了热阻并改善了温度均匀性，尤其在较高雷诺数下。
- 锯齿紧凑度的位置显著影响热工水力性能；中部区域紧凑度提供了传热增强与压降损失之间的最佳平衡。
- 组合不同锯齿图案进一步强化了流动混合与对流，相比单一图案设计表现出更优性能。
- 与传统实体和并行多孔翅片相比，锯齿形多孔构型显著改善了传热和整体效率。
- 在所有案例中，CaseC5展现了最佳热工水力性能，在所研究的雷诺数范围内，相对于实体翅片构型，PEF提升了105–120%，尤其在较高雷诺数下。