具有复合肋槽结构的波纹微通道散热器中协同传热强化机理

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Mechanisms of synergistic heat transfer enhancement in wavy microchannel heat sinks with compound rib-slot structures

　　

## 摘要

下一代电子设备热流的急剧攀升对高性能微通道散热器提出了迫切需求。尽管肋片和侧壁槽孔是提升波浪微通道热流体性能的有效被动增强技术，但其空间集成方式及潜在的协同增强机制仍需更深入的理解。本研究提出了一种新型肋-槽复合波浪微通道（RSC-WMC）散热器，并在雷诺数（Re）范围为200至600的条件下进行了数值模拟研究，以肋状波浪微通道（RWMC）和槽状波浪微通道（SWMC）散热器作为对比配置。结果表明，RSC-WMC在整个雷诺数范围内均实现了最高的努塞尔数（Nu）、最低且最均匀的底壁温度分布。在Re=600时，其Nu分别比RWMC和SWMC高出8.07%和14.95%，而最大底壁温度分别降低了0.6 K和2.23 K。研究发现，肋片通过节流辅助射流效应减薄近壁热边界层，而槽孔则周期性中断并重建热边界层，同时诱导二次流以促进横向流体混合。场协同分析证实，RSC-WMC在整个雷诺数范围内均获得了最高的场协同数，协同因子进一步表明复合结构实现了超越线性叠加的传热增强效果，在Re=350时达到峰值1.12，并在最低雷诺数范围200–250内观察到亚线性叠加窗口（SF<1）。几何优化进一步确定了最优肋片宽度Wr为0.3 mm，而最优槽孔宽度Wsl随着雷诺数从200–350增加至400–600，从0.4 mm变化至0.5 mm。这些定量发现表明，本研究提出的肋-槽复合设计能够显著提升传热效果，在Re=600时PEC达到1.69，为高性能微通道散热器的设计提供了新的思路。

## 引言

下一代技术的快速发展，尤其是人工智能、机器人等领域，推动电子元件和设备向更高集成密度发展[1], [2], [3], [4], [5]，导致热流急剧增加。据报道，传统芯片热点处的局部热流在未来不久将超过1000 W/cm2[6]。这种局部过热会引发热应力集中，显著损害电子设备的运行可靠性和使用寿命[7], [8], [9]。因此，开发高效紧凑的散热管理方案已成为一项关键挑战。

1981年，Tuckerman和Pease率先提出了通过刻蚀在硅芯片上的平行微通道来耗散热量的概念，实现了高达790 W/cm2的热流密度[10]。由于其巨大的表面积与体积比、紧凑的结构以及卓越的冷却能力，微通道散热器被广泛认为是高热流耗散最有前景的解决方案之一[11], [12]。然而，在传统直平行微通道中，热边界层在流动方向上持续增厚[13], [14]，导致温度分布不均匀和局部过热，限制了冷却性能的进一步提升。为克服这些局限，研究人员广泛研究了各种被动传热增强技术，包括修改通道几何形状[15], [16], [17]、引入肋片[18], [19], [20]以及引入二次流通道[21], [22], [23]。

波浪微通道因其几何结构简单、能在相对较小的压降代价下实现传热增强而备受关注。Sui等[24]通过数值模拟和实验验证表明，波浪微通道可诱导Dean涡，促进强烈的对流混合并抑制热边界层的发展。后续研究聚焦于波形参数优化和几何构型改进。Pourhammati等[25]发现，沿流动方向逐渐减小波长或增大振幅可以降低高雷诺数下的热阻。Mehta等[26]表明，波浪微通道的整体热流体性能高度依赖于振幅梯度。Sharma等[27]报告，可变曲率的椭圆波浪微通道可通过结构不对称性触发二次涡。Zhong等[28]证明，在适度增加流动阻力的代价下，将四壁全部设计为波浪构型可显著提升整体冷却性能。尽管具有这些优势，但在低雷诺数下，纯波浪通道中Dean涡的强度通常会衰减，从而限制了对热边界层的进一步破坏。

在微通道中引入肋片是另一种经典且有效的被动传热增强方法。Zhang等[29]提出了鳃状肋片，显著促进了冷热流体的混合。Liu等[30]在锯齿形微通道中引入水滴形针翅，展现了传热与流体力学性能之间的平衡。Ghani等[31]和Zhu等[32]均证实，对称波浪微通道中的矩形肋片可有效抑制波峰处的低速涡流并增强横向流体混合。Zhu等[33]进一步比较了六种肋片几何形状，发现矩形肋片获得最佳传热性能，而前向三角形肋片则表现出最优的场协同效应。Alkhazaleh等[34], [35]表明，放置在正弦波浪微通道关键位置的圆柱形肋片可以降低热阻和加热表面的最高温度。Rezazadeh等[36]证明，放置在波峰和波谷处的矩形多孔肋片可以调节二次流并改善温度均匀性。表1定量总结了上述研究的性能。虽然肋片可显著增强对流传热，但也会引入过大的压降。

随着波浪微通道研究的持续推进，侧壁槽孔结构被引入以创建二次流通道，实现更有效的传热增强。Alihosseini等[37]在波浪微通道中引入倾斜槽孔，其持续诱导二次流并促进热边界层重建，从而改善对流传热性能。类似地，Zhu等[38]证明，在关键位置引入的二次流通道可实现更优的整体热流体性能。Wang等[39]发现，设计不当的槽孔构型会削弱对称波浪微通道中的Dean涡，而在平行波浪微通道中进行开槽则可获得更好的整体性能。Memon等[40]表明，较浅的二次流通道可改善温度均匀性但带来较大的压降代价，而较陡的构型在高雷诺数下可提供更优的整体性能。表1也定量总结了槽孔微通道的性能。虽然其增强传热能力有限，但相比肋片结构，其带来的压降增量较低。

上述综述表明，现有的微通道散热器研究大多聚焦于肋片或侧壁槽孔的独立优化，而两者空间协同集成所产生的热流体相互作用尚未得到系统关注。在绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块等应用中，芯片级热流密度可达50至200 W/cm2[41]，同时对对流增强能力和流体力学经济性提出了要求，而单一被动结构可能难以满足。基于这些考虑，本研究提出了一种肋-槽复合波浪微通道（RSC-WMC）散热器，旨在解决单一特征设计固有的局限性，包括肋片带来的过大压降代价和槽孔对边界层破坏能力的不足。在该构型中，纺锤形肋片被有意放置在波峰、波谷和拐点处，侧壁槽孔则设置在波峰和波谷处，使肋片诱导的节流射流与槽孔诱导的二次流能够同时相互作用，产生协同传热增强效果。通过三维共轭数值模拟对RSC-WMC的热流体性能进行了评估，并与肋状波浪微通道（RWMC）和槽状波浪微通道（SWMC）进行了对比。此外，研究了肋片宽度和槽孔宽度等关键几何参数对RSC-WMC性能的影响，以确定其最优值。研究结果有望为开发用于电子设备的高性能紧凑散热管理方案提供新的设计思路。

## 分段片段

### 物理模型

图1展示了SWMC、RWMC和RSC-WMC的三维物理模型及局部放大视图。为平衡计算效率与精度，考虑到结构对称性，选取单通道及其周围固体基体作为计算域。固体基板与液体之间的全共轭传热均被求解。三种配置具有相同的总体外部尺寸，详细几何参数如下

### 数据处理

本节介绍了用于评估微通道散热器流动和传热性能的关键参数相关表达式。

雷诺数定义式：

Re = ρ_f · u_in · D_h / μ_f

其中u_in为通道入口处的平均流速，D_h为微通道的水力直径，计算式如下：

D_h = 2W_c·H_c / (W_c + H_c)

微通道的Darcy摩擦因子表达式为：

f = 2Δp·D_h / (ρ_f·u_in2·L)

其中Δp为通道两端的压降，L为通道总长

### 流动特性

微通道内流体的流动特性直接决定了泵功消耗，这是评估微通道散热器能效的核心指标之一。为清晰对比三种微通道构型的流阻，图4展示了SWMC、RWMC和RSC-WMC中f随Re的变化关系。如图4所示，随着流速增加，摩擦因子f呈单调下降趋势

### 结论

本研究通过三维数值模拟系统评估了SWMC、RWMC和RSC-WMC的热流体性能，并对RSC-WMC的肋片宽度和槽孔宽度进行了参数优化。主要结论如下：

（1）RSC-WMC在整个200–600的雷诺数范围内均实现了最高的Nu、最低且最均匀的底壁温度分布。尽管SWMC因CRediT作者贡献声明

Lin Chen：写作——审阅与编辑、监督、调查。Xiaoyan Zheng：写作——初稿、验证、调查。Lianbao Zhai：可视化、软件、数据管理。Yuxiang Zhang：软件、形式分析。Mingsheng Du：方法论、数据管理。Jianhui Zhou：写作——审阅与编辑、监督。Zhengmao Zhu：资源。Dawen Zhong：写作——审阅与编辑、调查、资金获取。

## 利益冲突声明

我们声明，我们不存在可能不当影响本文所述工作的竞争性经济利益和个人关系，在任何产品、服务和/或公司方面不存在任何性质或种类的职业或其他个人利益。

## 致谢

本研究由中国国家自然科学基金（52376054, 52327809）、北京市重点研发计划（Z181100005118013）和中央高校基本科研业务费（2026MS070）资助。模拟工作由华北电力大学高性能计算平台支持。

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