侧壁肋条、多孔结构以及开放式通道对微热沉整体性能的耦合效应

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Coupling effect of sidewall ribs, porous structures, and open channels on the overall performance of micro heat sinks

　　• 新型多结构的协同效应得以揭示。• 不对称的侧壁肋状结构在增强热传递效果与降低摩擦损耗之间实现了理想的平衡。• 在控制热流体特性方面，孔隙面积比布局更为重要。• 通过敏感性分析确定了各参数的重要性。• 优化后的散热器整体性能卓越，其性能指数达到8.21。

引言
人工智能的迅速发展对电子芯片的数据处理速度提出了更高的要求，导致晶体管密度和芯片功耗显著增加。目前，具有超过300瓦热设计功率的高密度芯片已在数据中心得到广泛应用，其峰值热流密度超过500瓦/平方厘米[1]。例如，NVIDIA的GB200 Grace Blackwell计算核心用于AI训练，每个GPU的最大热设计功率为1200瓦，伴随的热流密度超过1000瓦/平方厘米[2]。面对如此极端的热流密度，传统的冷却方法无法有效散热，同时能耗也会急剧上升。如果芯片温度超过85摄氏度而没有及时进行热缓解，热诱发的故障概率会显著增加[3]。此外，不均匀的功耗分布会产生明显的温度梯度，进一步增加芯片损坏的风险[4]、[5]。多项实证研究表明，电子芯片的运行可靠性每升高10摄氏度就会降低一半[6]、[7]。因此，开发紧凑且高效的冷却系统以满足高负载芯片的散热需求对于优化芯片性能至关重要。

最近在微纳加工技术方面的进步促进了微通道散热器（MCHS）的发展。MCHS具有高冷却效率和紧凑的结构，成为高功率电子元件的有前景的冷却方案[8]。为了解决极高的热流密度（10^7瓦/平方米）问题，一些研究致力于优化散热器的配置，主要是通过增加换热表面积和提高流体湍流程度[9]、[10]。微通道横截面几何形状的周期性变化可以破坏热边界层，从而增强热传输能力。Xia等人[11]开发了一种具有复杂波纹的微散热器，由于换热表面积的增加、边界层的中断以及流体混合的改善，其冷却性能得到了提升。Liu等人[12]分析了一种具有波浪形动态壁的微通道，并得出结论：与静态换热器相比，其泵送性能和换热系数分别提高了680%和794%。

大量研究结果表明，在微通道中嵌入针状散热片可以增强流动湍流，触发混沌对流，并提高换热效率[13]、[14]。Rasouli等人[15]开发了钻石形针状散热器，并详细探讨了涡流形态、散热片间距和长宽比对热流体性能的影响。还提出了一种新的经验关联式来预测努塞尔数（Nu）。Datta等人[16]研究了装有不同散热片结构的沟槽微通道冷却基板中的换热特性和熵生成情况，得出钻石形散热片具有更优的综合性性能。Polat等人[17]表征了以钻石图案排列的针状散热器的热流体性能。研究人员结合人工神经网络和多目标优化来确定最佳几何参数。在我们之前的研究中，介绍了多种具有不同嵌入式针状散热片配置的微通道散热器[18]。采用田口法（Taguchi method）优化了这些散热器的流体和热性能[19]、[20]。总体而言，尽管在微通道中引入针状散热片结构增强了传热能力，但流动扰动的增加也导致了更高的流动阻力和额外的泵浦功耗。

在复杂的微结构中，布置在通道侧壁上的肋状结构比中央的针状散热片能产生更大的流动扰动并降低流动阻力。Sarvar等人[21]研究了超疏水肋状结构对散热器热流体行为的影响，与非超疏水散热片表面相比，压降增加了8.9%，努塞尔数增加了6.6%。Singupuram等人[22]在通道侧壁设计了圆形凸起肋状结构，发现45°的扇形角度具有最低的泵浦功耗。Rajalingam等人[23]证明，在上游布置12个翼形肋状结构，在下游布置12个反向肋状结构后，传热性能提高了两倍。

然而，由于微通道的液压直径远小于传统通道，微散热器的压降相对较大。为了降低压降和流动阻力，Liu等人[24]提出了一种具有不同长宽比的开放微通道，并发现扩展通道几何尺寸可以有效减少系统泵浦功耗。Hekmatara等人[25]制造了一种带有尖端间隙的微针状散热器，最佳的高度和体积分数分别为1.25毫米和0.15。Guo等人[26]研究了开放微通道中顶部间隙对传热特性的影响，结果显示20微米的顶部间隙可使热阻最大降低28.24%。开放通道结构被证明可以同时减少压降并提升热性能。尽管如此，在特定工作条件下，开放通道结构的传热增强潜力有限，其冷却性能低于传统封闭通道。

多孔结构提供了较大的流动空间，有效减少了流动阻力和流动及传热的不可逆性，从而提高了热管理系统的整体效率[27]、[28]。多孔结构参数对微尺度流动和换热有显著影响。Kumar等人[29]提出了一种双层微通道散热器，其多孔顶层使散热性能提高了17.28%，同时降低了流动不可逆性。随着流速的增加，由流动摩擦引起的熵生成逐渐超过由传热引起的熵生成。Cui等人[30]将多孔结构融入到拓扑优化的微通道中，总熵生成在Re=100-700时相比固体微通道减少了38.4%-66.0%。Liu等人[31]提出了一种将多孔结构与超疏水表面结合的分段设计，大幅降低了流动阻力、摩擦熵生成和整体不可逆性。在Re=800时，熵生成减少了56.9%。Nie等人[32]在圆柱形螺旋MCHS的两侧壁上布置了多孔肋状结构，发现随着肋状结构高度或厚度的增加，传热性能提高了61.7%，熵生成减少了22.8%。Dai等人[33]采用了一种具有分层孔隙密度的多孔MCHS，并指出应选择较小的分层长度比率以逐步增加孔隙度来增强传热并最小化摩擦损失。基于上述文献，多孔结构可以降低流动阻力和摩擦熵生成。然而，单靠多孔结构无法产生足够的流动扰动。

总之，侧壁肋状结构可以有效提升换热性能，而开放通道和多孔配置有助于减轻压降。然而，这些不同微结构之间的耦合机制尚未得到系统性的探索和阐明。潜在的换热增强机制仍需要深入研究。为了克服这些缺点并进一步优化液体冷却系统的整体性能，本研究提出了一种创新的开放型微散热器，其侧壁具有肋状结构。本研究调查了开放微通道、侧壁肋状结构和多孔结构之间的协同作用。

主要发现总结如下：
(1) 开放结构有效降低了微散热器的流动阻力，30微米的开放间隙在减少熵生成方面表现出最大潜力。
(2) 不对称的肋状结构在增强传热效果与降低压降损失之间实现了理想的平衡。
(3) 多孔结构同时改善了传热性能并抑制了流动阻力，从而优化了整体性能。
(4) 随着肋状结构高度的增加和肋状间距的减小，传热能力显著增强，总性能指数（TPI）在孔隙密度为0.20时达到最佳值。此外，孔隙面积在控制热流体特性方面起主导作用，其影响比单纯的孔隙布局更为显著。本研究揭示了多微结构配置的耦合机制，并确定了最佳配置。这种创新的多孔散热器在整体性能上实现了显著提升，最大TPI值为8.21。这些结果为高性能微散热器的优化设计和实际应用提供了理论支持。

部分内容：
物理模型
图1显示了装有侧壁肋状结构的开放微散热器的结构图。这种新设计的冷却组件的外部几何尺寸为长度10.00毫米，宽度1.70毫米，高度0.35毫米。每个微通道的尺寸参数为长度10.00毫米，宽度0.10毫米，高度0.20毫米。相邻微通道之间的侧壁高度为0.14-0.20毫米。相应地，在这些通道之间保留了0-0.06毫米的间隙，用Hg表示。

评估指标
液压直径（Dh）、摩擦系数（fave）、努塞尔数（Nuave）和总性能指数（TPI）分别用方程式(3)、(4)、(5)、(6)表示[25]、[36]。

网格独立性和数值模型验证
在MESHING软件中为OHS-AR散热器模型建立了几组不同网格密度的网格，以进行网格独立性研究并确定最佳网格尺寸。具体比较了具有189万、392万、501万和550万个网格的模型，Re=247。图2绘制了不同网格数量模型的压降和平均努塞尔数。计算结果显示，在不同网格数量的情况下，压降和Nuave之间存在差异。

主要发现
提出了具有多种结构特征的开放散热器，并评估了开放通道、侧壁肋状结构和多孔结构对热流体性能的协同效应。揭示了各微结构之间的耦合机制及其重要性。确定了最佳的肋状结构排列、多孔布局和几何参数。主要发现如下：
(1) 侧壁肋状结构的排列在流动和温度场中起着重要作用。

作者贡献声明
Congzhe Zhu：撰写——原始草稿，形式分析，数据整理。
Luting Bai：数据整理。
Yifan Li：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，资金获取。
Bin Yang：资源获取，资金获取。
Wanxiang Yao：资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究由中国国家自然科学基金（项目编号52406191、52478091）和中国青海省自然科学基金（2026-ZJ-712）资助。

Congzhe Zhu | Luting Bai | Yifan Li | Bin Yang | Wanxiang Yao