先進(jìn)冷卻系統(tǒng)中納米流體波紋微通道散熱器的熱工水力性能實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析

論文信息：

Nehad Abid Allah H, Isam Mejbel Abed, Nejla Mahjoub Said. Experimental and numerical analysis of hydrothermal performance in wavy microchannel heat sink with nanofluids for advanced cooling systems. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, (2026).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s10973-025-15186-5

PART1

研究背景

隨著電子設(shè)備向高集成度、微型化方向快速發(fā)展，其工作熱流密度持續(xù)攀升，傳統(tǒng)散熱方式已難以滿足高效熱管理需求，成為制約電子系統(tǒng)壽命與性能提升的核心瓶頸。微通道散熱器（MCHS）憑借緊湊結(jié)構(gòu)與高換熱效率，成為解決高熱流密度散熱問題的重要方案，但傳統(tǒng)矩形微通道散熱器（RMCHS）傳熱效率有限，且現(xiàn)有研究多單獨(dú)探索波紋通道或空腔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化作用，缺乏復(fù)合結(jié)構(gòu)與納米流體協(xié)同作用的系統(tǒng)研究。同時(shí)，不同結(jié)構(gòu)散熱器的性能對比多缺乏相同工況下的直接驗(yàn)證，難以精準(zhǔn)評估優(yōu)化效果。基于此，有必要設(shè)計(jì)融合波紋壁與三角形空腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)微通道散熱器，并結(jié)合納米流體工質(zhì)開展實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析，為下一代電子設(shè)備提供高效、可靠的冷卻解決方案。

PART2

研究內(nèi)容

圖 1 展示了研究的核心微通道散熱器模型。圖 1 (a) 為帶三角形腔體的波紋微通道散熱器（WMCHS-WTC）的三維結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的波紋壁與三角形腔體組合可增強(qiáng)流體混合并破壞熱邊界層；圖1(b)為傳統(tǒng)矩形微通道散熱器（RMCHS）的三維結(jié)構(gòu)，作為基準(zhǔn)模型用于性能對比；圖1(c) 呈現(xiàn)了 WMCHS-WTC 的俯視圖，清晰展示了三角形腔體的分布規(guī)律。兩種模型的關(guān)鍵尺寸參數(shù)通過 SOLIDWORKS 2022 設(shè)計(jì)確定，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析提供了基礎(chǔ)幾何依據(jù)。

圖 1. 微通道散熱器結(jié)構(gòu)示意圖：（a）帶三角形腔體的波紋微通道散熱器（WMCHS-WTC）；（b）矩形微通道散熱器（RMCHS）；（c）WMCHS-WTC 的俯視圖（展示腔體分布）

圖 2 展示了實(shí)驗(yàn)測試段的設(shè)計(jì)與裝配情況。圖 2 (a) 為測試段的各個(gè)組成部件，包括銅塊、加熱棒固定座、進(jìn)出口集管、熱電偶等關(guān)鍵組件；圖 2 (b) 為測試段的裝配視圖，體現(xiàn)了 WMCHS-WTC 與 RMCHS 在同一測試段的集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了相同工況下的同步對比測試。該雙模型測試段通過光纖激光雕刻與 CNC 銑削工藝加工，銅質(zhì)散熱器保證高導(dǎo)熱性，Acetal 材質(zhì)外殼兼具高剛度與低摩擦特性，亞克力頂蓋便于觀察流場，為實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可靠性提供了結(jié)構(gòu)支撐。

圖2. SOLIDWORKS 2022設(shè)計(jì)的測試段模型：（a）測試段單個(gè)組件；（b）銅塊與外殼集成的裝配視圖

研究采用兩步法制備Al?O?/H?O納米流體，通過磁力攪拌1小時(shí)與30kHz超聲波分散2-4小時(shí)，在無需表面活性劑的情況下實(shí)現(xiàn)納米顆粒的均勻穩(wěn)定分散，有效避免沉降與團(tuán)聚問題。納米流體的熱物理性質(zhì)（密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度）基于已建立的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算，并通過SEM與TEM表征驗(yàn)證了納米顆粒的形態(tài)與分散質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建了完整的流動回路，包括儲液罐、微型泵、流量計(jì)、換熱器、壓差傳感器等組件，實(shí)現(xiàn)了雷諾數(shù)（200-1000）、熱通量（50-200W）與納米流體體積濃度（0%-0.05%）的精確調(diào)控。

圖3. 微通道測試段的制備流程：（a）Acetal材質(zhì)集管與加熱棒固定座的CNC銑削加工；（b）銅塊上的微通道激光雕刻與加熱棒安裝孔鉆孔；（c）測試段各部件實(shí)物圖；（d）兩種散熱器集成的測試段裝配實(shí)物圖

圖4. 實(shí)驗(yàn)流動回路示意圖

圖5. 實(shí)驗(yàn)裝置正視圖實(shí)物圖

圖6. 實(shí)驗(yàn)裝置俯視圖實(shí)物圖

圖7. Al?O?納米顆粒的SEM表征圖

圖8. Al?O?納米顆粒的TEM表征圖

圖9. 納米流體兩步法制備流程

數(shù)值模擬采用COMSOL 6.0 CFD軟件，基于連續(xù)性方程、三維動量方程與能量方程求解流場與溫度場，假設(shè)流動為穩(wěn)態(tài)、層流、不可壓縮且單相流，納米流體視為均質(zhì)流體并采用恒定熱物理性質(zhì)，固液界面施加無滑移邊界條件。網(wǎng)格獨(dú)立性分析表明，當(dāng)采用 1,923,521 個(gè)單元的精細(xì)網(wǎng)格時(shí)，數(shù)值結(jié)果的誤差小于1%，兼顧計(jì)算精度與效率。通過與Feng等人的研究結(jié)果對比，速度場、溫度場及壁面溫度分布均呈現(xiàn)良好一致性，驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。

圖10. WMCHS-WTC的網(wǎng)格生成結(jié)果：（a）三維網(wǎng)格；（b）正視圖網(wǎng)格；（c）俯視圖網(wǎng)格

圖11. 數(shù)值計(jì)算流程框圖

圖12. 數(shù)值模型驗(yàn)證（與Feng等人研究對比）：（a）速度分布；（b）溫度分布（Re=663，熱通量400kW?m?2，x/L=0.625）

圖13. 局部壁面溫度分布的數(shù)值驗(yàn)證（Re=663）

通數(shù)值模擬結(jié)果揭示了WMCHS-WTC的流動與傳熱特性。圖14展示了Re=1000、φ=0.075%時(shí)的速度分布，波紋壁與腔體的組合使流體在腔體區(qū)域前后形成減速區(qū)，在腔體中部形成加速區(qū)，中心區(qū)域速度最大，壁面附近出現(xiàn)滯止區(qū)，有效增強(qiáng)了對流換熱。壓力降分析表明，隨著納米流體濃度增加，WMCHS-WTC的壓力降略有上升，Re=200時(shí)濃度從0%增至0.05%的壓力升為0.76kPa，Re=600時(shí)達(dá)1.2kPa。與RMCHS 相比，WMCHS-WTC因表面面積增加與流動擾動增強(qiáng)，壓力降更高，但性能評價(jià)因子（PEF）顯著更優(yōu)，其中WMCHS-WTC的PEF較基準(zhǔn)RMCHS提升89%，體現(xiàn)了幾何結(jié)構(gòu)的協(xié)同增效作用。溫度分布結(jié)果顯示，納米流體濃度增加可顯著降低最高溫度，濃度從0.025%增至0.075%時(shí)最高溫度降低5K。

圖14. WMCHS-WTC在Re=1000、φ=0.075%時(shí)x-y平面（z=0.3mm）的速度分布溫度點(diǎn)分布及熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖15. Re=200時(shí)的壓力分布：（a）純水（φ=0%）；（b）Al2O3/H2O納米流體（φ=0.05%）

圖16. Re=600時(shí)的壓力分布：（a）純水（φ=0%）；（b）Al2O3/H2O納米流體（φ=0.05%）

圖17. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC與RMCHS的壓力降隨雷諾數(shù)變化關(guān)系

圖18. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC與RMCHS的平均摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)變化關(guān)系

圖19. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，不同微通道結(jié)構(gòu)的性能評價(jià)因子（PEF）隨雷諾數(shù)變化關(guān)系

圖20. Re=800時(shí)，WMCHS-WTC在不同納米流體濃度下的溫度分布（x-y平面，z=0.3mm）：（a）φ=0.025%；（b）φ=0.05%；（c）φ=0.075%

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了WMCHS-WTC的優(yōu)越熱性能。在不同輸入功率（50W、150W、200W）下，WMCHS-WTC的平均壁溫均低于RMCHS，最大降溫幅度達(dá)30%（Re=1000、P=200W、φ=0.05%），且壁溫隨雷諾數(shù)增加與納米流體濃度升高而降低。努塞爾數(shù)（Nu）分析表明，WMCHS-WTC的Nu最大可達(dá)12.5（Re=1000、φ=0.05%、P=200W），較RMCHS（Nu=7.5）提升66%，且Nu隨熱通量、雷諾數(shù)與納米流體濃度的增加而增大。摩擦系數(shù)方面，WMCHS-WTC在0.04vol%濃度下較RMCHS高26%。熱阻測試顯示，WMCHS-WTC的最小熱阻為0.075℃/W（Re=1000、P=200W、φ=0.04%），顯著低于RMCHS的0.115℃/W。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值結(jié)果的對比表明，兩者趨勢一致，誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了研究結(jié)論的可靠性。

圖21. 輸入功率50W時(shí)，平均壁溫隨雷諾數(shù)變化關(guān)系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖22. 輸入功率150W時(shí)，平均壁溫隨雷諾數(shù)變化關(guān)系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖23. 輸入功率200W時(shí)，平均壁溫隨雷諾數(shù)變化關(guān)系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖24. 熱通量50W時(shí)，平均努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)變化關(guān)系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖25. 熱通量150W時(shí)，平均努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)變化關(guān)系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖26. 熱通量200W時(shí)，平均努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)變化關(guān)系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖27. 不同體積濃度下，WMCHS-WTC與RMCHS的平均摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值值對比

圖28. 200W輸入功率下，WMCHS-WTC與RMCHS的熱阻隨雷諾數(shù)變化關(guān)系（0.01vol%-0.04vol% Al2O3/H2O）

圖29. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC 的平均壁溫實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值值對比

圖30. 0.04vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC與RMCHS的平均努塞爾數(shù)實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值值對比

研究通過與現(xiàn)有文獻(xiàn)的對比，凸顯了WMCHS-WTC的創(chuàng)新優(yōu)勢。與Hung & Yan的雙層微通道、Wang等人的直微通道等設(shè)計(jì)相比，本研究的混合幾何結(jié)構(gòu)在較低納米流體濃度下實(shí)現(xiàn)了更顯著的壁溫降低（20%）與努塞爾數(shù)提升（66%），同時(shí)保持了相對合理的流動阻力增加（26%）與更低的熱阻（0.075℃/W）。該設(shè)計(jì)通過波紋壁與三角形腔體的協(xié)同作用，強(qiáng)化了流體混合與熱邊界層破壞，為高密度電子設(shè)備的高效散熱提供了新方案。

研究結(jié)論表明，帶三角形腔體的波紋微通道散熱器（WMCHS-WTC）結(jié)合Al2O3/H2O納米流體，在電子設(shè)備冷卻應(yīng)用中展現(xiàn)出卓越的水熱性能。在 Re=1000、φ=0.05%、P=200W的最優(yōu)工況下，WMCHS-WTC較傳統(tǒng)RMCHS實(shí)現(xiàn)20%的平均壁溫降低、66%的努塞爾數(shù)提升，最小熱阻低至0.075℃/W。實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析均驗(yàn)證了該混合幾何結(jié)構(gòu)的協(xié)同增效機(jī)制，納米流體濃度、雷諾數(shù)與熱通量的增加均有助于提升熱性能，但需平衡流動阻力的上升。

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于首次將波紋壁與三角形腔體集成于單一測試段，通過雙模型同步測試實(shí)現(xiàn)了公平對比，為微通道散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠方法。研究局限性包括僅針對層流與穩(wěn)態(tài)工況、局限于Al2O3/H2O納米流體、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的規(guī)模化制造挑戰(zhàn)等。未來可探索增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)量產(chǎn)、研究納米流體長期穩(wěn)定性、優(yōu)化通道參數(shù)平衡熱性能與壓力降，或引入電/磁流體動力學(xué)效應(yīng)進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱，為下一代電子設(shè)備的熱管理提供更高效的解決方案。

PART3

總結(jié)與展望

該研究創(chuàng)新提出融合波紋壁與三角形腔體的復(fù)合結(jié)構(gòu)微通道散熱（WMCHS-WTC），結(jié)合Al2O3/H2O納米流體開展實(shí)驗(yàn)與數(shù)值分析，在200–1000的雷諾數(shù)、50–200W的熱通量及0%–0.05%的納米流體體積濃度范圍內(nèi)，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)相較傳統(tǒng)矩形微通道散熱器（RMCHS）的顯著優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了20%的平均壁溫降低、66%的努塞爾數(shù)提升及更低的熱阻（最低達(dá)0.075℃/W），為下一代電子設(shè)備高效冷卻提供了新方案。未來工作可拓展至湍流與瞬態(tài)工況，探索更多類型納米流體及混合納米流體的應(yīng)用效果，結(jié)合增材制造技術(shù)攻克復(fù)雜結(jié)構(gòu)規(guī)模化生產(chǎn)難題；同時(shí)可引入電/磁流體動力學(xué)效應(yīng)、非均勻熱流邊界等優(yōu)化方向，進(jìn)一步平衡熱性能與流動阻力，推動該復(fù)合結(jié)構(gòu)散熱器在高密度電子、EV電池、LED陣列等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。

3、Experimental and numerical analysis of hydrothermal performa.pdf

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