多孔圆柱形翅片散热器中椭圆槽几何形状的参数优化以提升水热性能

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Parametric optimization of elliptical groove geometry in perforated cylindrical pin-fin heat sinks for enhanced hydrothermal performance

　　

摘要

本研究考察了带有槽形特征的穿孔圆柱状针翅散热器的水热性能。以传统的实心圆柱状针翅散热器作为基准参考进行验证和比较。该数值研究在稳态、不可压缩湍流条件下进行，以空气为工作流体，采用标准k-ε湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程。优化过程分两阶段进行：首先，考察三角形、矩形、梯形和椭圆形四种槽形几何，以确定最有效的一种；由于椭圆槽形配置产生了最高的整体性能，因此选择其进行进一步分析。随后，使用无量纲变量a/D和b/D对槽形几何进行参数化，分别对应椭圆槽形轮廓的半长轴和半短轴，并系统地评估了这些参数对水热性能的影响。结果表明，椭圆槽形设计优于其他设计，最佳配置相比基准情况实现了最高达43.4%的水热性能因子提升和最高达39%的努塞尔数提升。此外，采用实验设计方法对几何参数的效应和交互作用进行了统计评估，并揭示了整体水热性能的显著性。DOE结果与CFD预测良好吻合。这些发现证明了局部槽形特征的受控几何参数化在提高针翅散热器性能方面的有效性。

引言

热管理在各种工程应用中至关重要，包括电子冷却系统和热交换器。在各种冷却方法中，散热器被报道能够在保持运行稳定性和紧凑系统设计的同时实现有效的散热热管理。由于制造容易和设计简单，对传统板翅和针翅散热器的性能优化进行了大量研究。这些优化研究通常涉及几何尺寸、形状、方向的变化以及通过穿孔或表面扰动技术进行的结构增强。与传统的板翅相比，针翅通常具有相对较大的有效传热面积，并促进更强的三维流动相互作用，从而在相同的流动条件下以可接受的压降增强流体混合和热传输。这些特性使针翅散热器特别适用于需要紧凑高效被动冷却的应用。然而，尽管圆柱形针翅是散热器应用中最常用的针形，传统的实心针翅由于稳定热边界层和尾流区域的形成，通常表现出有限的性能，导致热阻增加从而降低传热效率。此外，针翅散热器由于其大表面积和全方位流动能力而特别有利，允许通过翅片阵列的多方向气流，从而增强湍流并提高散热效率。近期研究进一步强调了针翅几何修改对水热性能显著改善的影响，如引入槽形、穿孔、混合结构和非圆形轮廓等。这些几何修改是为了改善局部湍流并促进散热器域内更有效的流体重新分布。

各种针翅几何形状和配置已被研究用于改善热性能，如六角形、方形、扭曲形、椭圆形和其他复杂几何形状。此外，在顺排和错排配置方面也进行了大量研究，错排配置通常表现出更好的传热，但压降也更高。这些研究强调了几何修改在提高针翅散热器水热性能方面的重要作用。Kesavan等人指出系统方法对进一步改善水热性能的必要性，并指出需要进一步研究以优化针翅几何和配置。

研究人员对通过穿孔修改针翅引起了极大关注，因为其提高了流体穿透翅片主体的能力，从而削弱尾流形成并改善流动混合。先前的研究表明，穿孔针翅配置相比相应的实心配置显著改善了水热性能。例如，Chin等人发现使用穿孔针翅可以将努塞尔数提高最多45%，同时压降减少18%。同样，Ehsani等人表明包含三个穿孔的配置在热效率方面提供了显著改善。这代表了一个实际的基准，可以在此基础上进一步改进。

除了穿孔数量外，研究还强调了穿孔形状对针翅散热器水热性能的重大影响。已报道几种穿孔几何形状，如圆形、椭圆形和六角形形状，通过增加表面积与体积之比和改善流动混合来提高传热。这些穿孔破坏了针翅尾流中的停滞区域，与传统的实心针翅相比，导致更快的热传导和更低的温度梯度。此外，其他研究还报告在使用先进翅片几何形状与穿孔配置相结合时，如扭曲或不对称翅片形状，传热性能有显著改善。这些研究主要评估预定义的穿孔形状，没有进行系统性的几何参数化。

几项研究还探讨了不同针翅几何形状对针翅散热器热性能的影响。修改翅片截面形状并引入几何变换，如扭曲，已被证明会显著影响流动行为和传热特性。在研究的修改几何形状中，椭圆针翅由于其流线型轮廓和减弱的尾流强度而引起了极大关注。据报道，椭圆穿孔针翅相比传统圆柱针翅在水热性能方面提高了多达90%。同样，扭曲翅片配置被报道可产生强烈的二次流动和旋涡，从而增强流体混合并改善沿翅片高度的温度均匀性。在他们的数值研究中，Rasangika等人报告扭曲翅片可以将努塞尔数提高最多46%，并将水热性能因子提高25%，相比传统圆柱翅片。此外，扭曲和穿孔的组合已被证明可以通过同时增加传热面积和修改流动结构来提供额外的性能提升。然而，这些改善通常伴随着压降的显著增加，突出了平衡热流设计的需求。

槽形作为针翅散热器及相关热系统的被动增强技术的使用也在先前的研究中得到了调查。先前研究的槽形配置，包括管道和微通道，通过改善流体混合和破坏热边界层，始终表现出改善的热性能。这种增强受到槽形几何形状、尺寸和位置的影响。Eren和Caliskan表明槽形针翅的传热系数有显著改善，突出了槽形引起的流动扰动效果。Bencherif等人确认槽形针翅散热器优于传统配置，半圆形槽形产生最高的水热性能。此外，Wongcharoen等人表明通过使用穿孔周围的槽形结构可以进一步改善针翅散热器的水热性能。这些研究主要关注应用于实心翅片外表面、内部通道壁或穿孔区域周围的槽形。在翅片-基座交互区域引入的槽形，特别是与穿孔结合时的影响，尚未得到系统研究。此外，大多数现有工作通常局限于离散的槽形几何形状，缺乏结构化的参数化框架。

先前的研究表明了穿孔、槽形结构和先进针翅几何形状的优势；然而，这些几何修改是通过不同配置或预定义设计进行研究的。例如，Bencherif等人研究了传统针翅上的环形槽形，包括槽形形状、尺寸和数量的影响，而Wongcharoen等人检查了穿孔周围形成的槽形以研究槽形形状的影响。尽管这些研究证明了槽形改善热流性能的潜力，但沿穿孔针翅高度延伸的槽形的流动和传热行为仍未得到充分探索。此外，对系统性地改变此类槽形的几何形状和尺寸的关注有限，这限制了针翅散热器设计的进一步优化。这种参数化允许以受控方式改变几何特征，并更系统地检查其对性能的影响。因此，需要对带有参数化槽形几何的沿高度方向槽形穿孔针翅进行系统研究，以阐明其热流行为并建立槽形几何和穿孔对水热性能的组合影响。

为了填补这些研究空白，本研究通过系统化的参数几何方法，对从穿孔针翅配置发展而来的槽形穿孔针翅的水热性能进行了数值研究。采用三维计算流体力学模型来分析槽形几何和流动条件对传热增强、压降和整体水热性能的影响。首先将实心圆柱针翅作为基准配置用于验证和性能比较。随后，基于先前的研究表明其性能增强，采用三穿孔针翅作为参考配置。先前研究也采用了类似的方法。在翅片表面上引入槽形特征，并从槽形形状和几何参数方面进行系统分析。采用使用计算流体力学的结构化几何参数化，然后采用实验设计技术，评估关键几何变量的效应和交互作用及其对水热行为的相对影响。每种配置的性能使用水热性能因子进行评估，用于识别平衡传热增强和压降惩罚的最佳配置。

本研究的发现为局部几何修改的穿孔针翅在水热增强中的作用提供了新的见解，并强调了受控参数化对最佳水热性能的重要性。所提出的框架为针翅散热器的设计和优化提供了系统方法，可以为高效热管理解决方案的开发做出贡献。本文第2节描述方法论，从物理模型及其描述开始，然后是设计过程、参数化方法、数值设置和验证程序。水热性能分析的结果在第3节中呈现，其中也强调了槽形几何和参数化无量纲几何变量的影响。基于水热性能因子确定最佳配置，并以温度和流场分析为支持。最后，第4节总结本研究的主要发现和结论，第5节根据现有发现提供进一步研究的建议。

物理模型与设计描述

本研究采用的圆柱形针翅散热器基于先前验证的模型，用于验证和比较的基准情况。基准散热器设计由14个圆柱形针翅组成，沿气流方向以4-3-4-3错排序列排列，相邻翅片之间的间距为25毫米。针翅安装在尺寸为100×100×3毫米3的基板上。散热器

结果与讨论

在本研究中，基于水热性能因子进行优化，使用努塞尔数和压降在雷诺数8547-21,367范围内进行评估。此外，分析了温度分布和速度剖面，以提供由各种针翅配置引起的流体力学行为和冷却性能的更深层次见解。基于这些分析，首先确定最佳槽形几何形状，然后进行系统性的

结论

本研究调查了槽形形状和椭圆槽形参数对针翅散热器水热性能的影响。发现椭圆槽形为最佳几何形状，在研究的配置中表现出优越的整体性能。进一步研究了椭圆槽形针翅配置，使用无量纲参数a/D和b/D对椭圆槽形进行优化。

## 建议的进一步研究

本研究存在一些局限性，因此提出以下建议供未来研究和开发参考：

- 本研究仅限于稳态条件下的数值模拟。因此，应在实际运行条件下进行实验研究，以验证优化后的EGP针翅结构性能，并确认数值预测的准确性。
- 分析仅限于所研究的雷诺数范围。因此，……

## CRediT作者贡献声明

Abdulmajid T. Khatib：撰写——初稿、形式分析、数据整理、概念构思。
Adnan Ibrahim：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
Nuru R. Mlyuka：监督、方法论、调查研究。
Amir Azirul：软件、方法论、调查研究、形式分析。
Mohd Anas Mohd Sabri：验证、监督、形式分析。
Sharul Sham Dol：可视化、资源、资金获取。
Ahmad Fazlizan：

## 利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

Abdulmajid T. Khatib | Adnan Ibrahim | Nuru R. Mlyuka | Amir Azirul | Mohd Anas Mohd Sabri | Sharul Sham Dol | Ahmad Fazlizan | Muhammad Amir Aziat Bin Ishak