《International Journal of Heat and Mass Transfer》：From arc-shaped to bio-inspired droplet-shaped divider islands: Backflow suppression and heat transfer enhancement in Tesla-type microchannels
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摘要特斯拉型微通道为高热通量热管理中的流动稳定和传热强化提供了一种有前景的被动方法。然而，作为核心功能单元的分隔岛，其理解仍不充分，尤其是关于几何参数和岛屿剖面的耦合效应。在本研究中，通过对岛屿弧半径（R）和岛屿间距（S）的耦合参数分析，数值考察了特斯拉型微通道的流动和热工水
摘要
特斯拉型微通道为高热通量热管理中的流动稳定和传热强化提供了一种有前景的被动方法。然而，作为核心功能单元的分隔岛，其理解仍不充分，尤其是关于几何参数和岛屿剖面的耦合效应。在本研究中，通过对岛屿弧半径（R）和岛屿间距（S）的耦合参数分析，数值考察了特斯拉型微通道的流动和热工水力特性，随后引入了仿生水滴状分隔岛。研究了五种配置，包括弧形岛微通道（ITMC）、无岛微通道（NITMC）和三种水滴状设计（DITMC-A/B/C）。在研究的 R-S 参数范围内，R = 0.3 mm 和 S = 3.5 mm 的 ITMC 实现了最高的 PEC，而 R = 0.2 mm 和 S = 4 mm 的 ITMC 产生了最强的回流抑制。与 NITMC 相比，ITMC 和 DITMC-B 表现出相当的热工水力性能。在 Re = 532 时，两种配置均实现了 Nu 为 62 和 PEC 为 1.54，分别对应 30% 和 25% 的改进。此外，水滴状岛屿显著增强了流整流。DITMC-A 在 Re = 74 时实现了最高的 Di 为 1.92，比 ITMC 高 34%。DITMC-C 的二极管性在高 Re 下迅速增加，并接近 DITMC-A。通过定制局部流场，提出的仿生设计加强了反向流的冲击和再循环，同时保持了传热和单向流动控制之间的有利平衡。
引言
人工智能和高性能计算的快速发展加速了芯片集成和微型化，从而增加了功率密度并对热管理提出了严峻挑战 [1]。在微尺度冷却解决方案中，自 1981 年 Tuckerman 和 Pease 将微通道集成到硅衬底中以来，微通道液冷一直受到特别关注，实现了高达 790 W/cm2 的热通量 [2]。微通道通常定义为水力直径低于 1 mm 的通道 [3]，受益于高表面积体积比 [4]、独特的水动力学和强烈的流动 - 传热耦合 [5]。这些特性激发了多种传热强化策略，包括相变材料 [6]、[7]、流动调节和外场扰动 [8]、[9]、几何优化 [10]、[11]、[12]、[13]、[14] 和相变冷却 [16]、[17]、[18]。
尽管取得了这些进展，流动沸腾不稳定性仍然是两相微通道冷却的主要瓶颈 [19]、[20]。不稳定性源于气泡快速生长导致的局部堵塞、周期性压力振荡和蒸汽回流。Karayiannis 指出，当气泡生长速度超过液相速度时会发生堵塞 [21]。此外，压力振荡会引起壁温波动并降低传热 [22]。Steinke 和 Kandlikar 观察到蒸汽回流破坏了平行微通道中的流动分布，导致干烧和壁温升高 [23]。尽管提出了入口节流和出口扩张结构来减轻气泡积聚，但实现高效的定向流动控制仍然具有挑战性 [24]。
特斯拉型微通道为结合流整流和强化传热提供了一条有前景的途径 [25]、[26]。Han 等人 [27]、[28] 证明特斯拉型微通道可以通过抑制两相回流来增强流动沸腾传热。Liu 等人 [29] 表明周期性特斯拉阀结构可以抑制蒸汽回流，从而提高流动沸腾性能。特斯拉型微通道中观察到的强回流抑制源于其不对称几何形状，这为正向和反向流动引起了明显不同的阻力，类似于流动二极管效应 [30]。除了微通道外，流动二极管效应也已应用于生态水利工程。如图 1 所示，传统大坝阻碍或阻断鱼类迁徙，阻止它们到达合适的产卵栖息地。为了克服这个问题，研究人员将特斯拉阀概念纳入了生态鱼道设计中。独特的通道布置对向下流动施加了强阻力，创造了低速休息区，同时保持了大坝的主要功能；因此，迁徙鱼类可以安全上升，河流段落之间的生态连通性得到改善 [31]。
在单相条件下，这种流动二极管效应通过二极管性（Di）进行定量评估，即反向流动压降与正向流动的比率 [32]。表 1 总结了使用 DI 水和介电流体（例如 HFE-7100, AE3000）作为工作流体的 Di > 1 微通道的代表性研究。特斯拉型微通道报告的 Di 值范围为 1.1 到 4，同时具有显著的传热强化。对于单相流，HTC 或 Nu 可以比普通微通道高 5 倍 [28]。对于两相流，HTC 和 CHF 可以分别增加 120% [33] 和 128% [28]。总的来说，这些结果支持使用 Di 作为评估回流抑制的指标，同时确认了特斯拉型微通道同时整流和强化传热的潜力。
迄今为止，大多数关于特斯拉型微通道的研究集中在阀级数的变化 [37]、[38] 或整体通道性能 [25]、[28] 上。在局部岛屿层面，以前的研究主要通过比较对称岛屿配置 [26]、不对称岛屿配置 [39] 和多种预定岛屿几何形状 [37]、[40] 来调查形状效应。然而，仿生水滴状分隔岛的潜在优势及其剖面调节流整流和传热的机制仍未得到充分理解。此外，对岛屿弧半径 R 和间距 S 的耦合影响几乎没有系统关注。
为了解决这一差距，本研究通过两步策略将特斯拉型微通道设计的焦点从整体通道布局转移到局部分隔岛。首先，考察了岛屿弧半径 R 和间距 S 的耦合效应，并选择具有最强回流抑制性能的弧形配置作为基准配置。其次，受自然水滴流线型形态的启发（图 2），将基准岛屿重新设计为三种仿生水滴状配置。水滴状剖面的圆弧形前导区域、平滑轮廓过渡和逐渐变细的尾部可能在引导正向流动和促进反向流动条件下的流动重定向方面提供潜在优势。因此，引入这种仿生重新设计以探索局部岛屿剖面定制是否能在保持传热能力的同时改善流整流。
章节片段
物理模型和评价标准
图 3(a) 展示了本研究中的特斯拉型微通道散热器。散热器的总长度（L）、宽度（W）和高度（H），以及每个微通道的宽度（Wch）和高度（Hch），列于表 2 中。由于几何周期性，使用单通道计算域以减少计算成本。通道和分隔岛的详细尺寸如图 4 所示，以 R = 0.2 mm 和 S = 4 mm 为例。弧形岛屿是
岛屿弧半径 R 和间距 S 对 ITMC 流动和传热性能的影响
由于不对称几何形状，特斯拉微通道表现出独特的流动特性。图 8 显示了 ITMC (R = 0.2 mm, S = 4 mm) 在 Re = 700 时的典型正向流动和反向流动场。在正向流动中，流体主要在中央通道流动，在本工作中称为主通道。高速区域保持限制在主通道内，侧腔内的流动有限。相比之下，在反向流动中，ITMC 将流体重新导向外部
结论
本研究调查了分隔岛几何形状对特斯拉型微通道耦合热工水力和整流行为的影响，包括弧半径（R）、岛屿间距（S）和岛屿剖面。通过将对隔离岛视为局部设计单元，本工作阐明了岛屿几何形状如何调节流动再分布、压降不对称性和传热强化。而不是提供单一的通用最优解，仿生水滴状岛屿提供
CRediT 作者贡献声明
张宇翔：可视化，软件。翟连保：验证，调查。郑晓燕：形式分析。陈林：写作 - 审查和编辑，资金获取。钟大稳：写作 - 审查和编辑，调查，资金获取。李嘉成：可视化，数据整理。杜明生：软件，方法论。
利益冲突声明
我们声明，我们与其他人或组织没有任何可能不当影响本文报告工作的竞争财务利益和个人关系，并且在任何产品、服务和/或公司中没有任何专业或其他个人利益。
致谢
本研究由中国国家自然科学基金（52376054、52327809）、北京市科技计划项目（Z181100005118013）、中央高校基本科研业务费（2026MS070）资助。模拟工作得到了华北电力大学高性能计算平台的支持。
陈林|翟连保|郑晓燕|张宇翔|李嘉成|杜明生|钟大稳
教育部电站能量转换与系统重点实验室，华北电力大学，北京 102206，中国
