集流微通道中流动沸腾的热工水力特性及互连几何结构的双目标优化

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Thermohydraulic characteristics of flow boiling in manifold microchannels and bi-objective optimization of interconnect geometry

　　• 验证了歧管互联微通道中流动沸腾的三维共轭CFD模型。• 互联节距对热阻和压降具有相反的单调影响。• 优化几何使压降比普通平行微通道降低22.7%。• 在高热流密度下，首选优化方向从压降低向传热转移。• 稀疏节距适用于适中热流密度；紧凑节距有利于高热流密度条件。引言人工智能的快速普及和高集成度电子器件的发展，推动了芯片级热流密度的持续增长，使热管理能力成为系统性能和可靠性的关键制约因素。据报道，高性能芯片的平均热流密度可达500 W·cm?2，局部热点超过1000 W·cm?2 [1]。器件可靠性对温度变化非常敏感 [2]，长时间高温运行显著增加了故障风险 [3]、[4]。因此，高效散热对于电子系统的性能和可靠性至关重要。流动沸腾通过利用相变过程中的潜热吸收，获得了远超单相强制对流传热系数的数值，被认为是高热流密度电子冷却的有前景候选方案 [5]、[6]、[7]。自Tuckerman和Pease的开创性工作 [8] 为微通道散热器奠定基础以来，微尺度相变冷却一直受到持续关注。然而，传统平行微通道由于流路较长，存在较大的压降和显著的轴向温度梯度 [9]。歧管微通道散热器（MMCHS）通过分层流体分配来细分流路，在单相条件下显著降低了压降并改善了温度均匀性 [10]，其单相优化方法现已成熟 [11]、[12]、[13]。在两相运行条件下，MMCHS的性能主导机制发生了根本变化。蒸汽的产生改变了局部流动阻力分布，通道间的汽液分配不均导致局部干涸和传热恶化 [14]、[15]、[16]、[17]、[18]。歧管的分段供给特性进一步使得汽液界面演化与传统平行微通道存在根本差异 [16]。因此，两相MMCHS的设计挑战不仅在于优化歧管分配能力，还涉及汽液再分配控制与壁面沸腾传热强化之间的耦合问题 [16]、[17]、[19]。互联微通道在相邻平行通道之间引入了横向连接，修改了局部流动阻力并促进了横向流体交换，从而提供了一种抑制流量分配不均的被动手段。Cheng和Wu [20] 证明互联微通道在过冷沸腾过程中能有效抑制流动不稳定性并改善沸腾均匀性。Wang等 [21] 表明，反向流动互联构型能同时降低两相压降并改善壁温均匀性。然而，这两项研究均针对传统直平行微通道，其结论不能直接推广到具有分段流体供给的MMCHS构型。更重要的是，互联单元的横向节距w_a和纵向节距w_b——作为控制横向交换路径密度的关键几何参数——对MMCHS内汽液分配、流动再分配和热液性能的影响仍属未知。现有两相MMCHS多目标优化研究主要集中在分层结构 [22]、非均匀高热流密度下的拓扑优化通道 [23]，或弯曲局部增强特征 [24]，互联节距参数空间尚未被探索。在数值方面，界面追踪方法如VOF（流体体积）法可以高保真地解析气泡动力学 [15]、[25]，但计算代价极高，且本质上难以闭合沸腾过程中的壁面成核、蒸发和淬冷过程 [18]。欧拉-欧拉两流模型与RPI壁面热流分配模型 [26] 通过壁面热流分配机制表征对流、蒸发和淬冷传热，无需显式的气泡界面追踪，已在传统管路和微型/微通道流动沸腾仿真中验证达到工程级精度 [27]、[28]。现有多目标优化研究也倾向于构建代理模型并在单一代表性工况下进行优化 [22]、[23]、[24]，未充分评估优化结构在非设计工况下的性能。这限制了优化结论在广泛工况范围内的工程适用性。基于上述背景，本研究调查了歧管互联微通道（MIMCHS）中的流动沸腾传热。建立了基于欧拉-欧拉两流框架耦合RPI壁面沸腾模型的三维共轭传热CFD模型，并使用实验R134a数据进行验证。以互联单元的横向节距w_a和纵向节距w_b作为设计变量，总热阻和压降作为双目标。构建了二次响应面代理模型并嵌入NSGA-II框架，获得了帕累托最优互联几何。在此基础上，通过流不均匀性演化、汽液再分配和壁面热流分配的对比分析，考察了热液权衡机制；还探讨了随负载变化的首选优化方向的转移。结果为实现工程中针对特定条件选择MIMCHS几何提供了定量依据。章节摘要数学模型散热器几何、计算域、边界条件和网格评估的详细信息见3.1实验数据来源与实验设施、3.2计算域与边界条件、3.3网格无关性研究、3.4数据提取。实验数据来源与实验设施数值模型与Zhang和Jia [41] 发表的R134a流动沸腾数据进行了验证，这些数据使用图3所示的实验装置获得。环路包括流体储液罐、微型齿轮泵、过滤器、预热器、实验段和冷凝回路。实验段由铜盖板、歧管层、微通道层和加热块组成。热量输入由15个插入式加热器提供，温度使用T型测量。互联节距对热液性能的参数化影响在代表性工况G = 700 kg·m?2·s?1和q = 52.51 W·cm?2下，横向和纵向互联节距w_a和w_b被选为设计变量。在0.5–1.5 mm范围内进行了全因子5×5实验设计，产生了25个CFD案例。几何参数定义见图7；主要尺寸见表4，其中互联单元宽度单独标记为w_{c,i}，以区别于鳍片宽度w_f。峰值壁面…结论本研究调查了歧管互联微通道散热器中的流动沸腾热液性能，并使用二次响应面代理模型耦合NSGA-II对互联几何进行了双目标优化。主要发现如下：(1) 已验证的CFD模型，即耦合欧拉-欧拉两流框架与RPI壁面沸腾模型，对传热系数的预测总体偏差约为6%，MAPE低于10%在…CRediT作者贡献声明范杰：撰写–初稿、方法论。张志强：可视化、监督。党超：可视化、监督。贾宏伟：撰写–审稿与编辑、资金获取。孟庆良：可视化、监督。利益冲突声明作者声明他们不存在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论文报告的工作。致谢本工作由贵州省重大科技专项[XKBF(2025)031]、北京市微小尺度相变流与传热重点实验室[编号：2022KF002]、国家自然科学基金[编号：42075179；编号：52006030]、上海市扬帆计划[编号：18YF1400700]、中国博士后科学基金[编号：2018M641891]、中央高校基本科研业务费基金资助。范杰|张志强|党超|贾宏伟|孟庆良