ATE：一種用于緩解熱點(diǎn)的新型混合交錯(cuò)排列花瓣形針翅微通道散熱器

論文信息：Hou X, Yang Y. A novel hybrid staggered arrangement petal-shaped pin-fin microchannel heat sink for hotspot mitigation[J]. Applied Thermal Engineering,130079, (2026）.

論文鏈接: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2026.130079

Part.1 研究背景

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)向高性能和高集成度方向發(fā)展，電子器件的功率密度不斷提高，導(dǎo)致芯片整體溫度升高并易形成局部熱點(diǎn)，從而引起性能下降、壽命縮短甚至熱失效。因此，高效的熱管理技術(shù)成為保障電子設(shè)備可靠運(yùn)行的重要手段。傳統(tǒng)的空氣冷卻、自然對流和常規(guī)液冷技術(shù)已難以滿足高熱流密度散熱需求，而具有高換熱效率和緊湊結(jié)構(gòu)的微通道散熱器逐漸成為研究熱點(diǎn)。提出直通平行微通道以來，大量研究通過優(yōu)化通道形狀、設(shè)置擾流結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)針肋陣列以及引入歧管和仿生結(jié)構(gòu)等方式來強(qiáng)化傳熱性能。然而，現(xiàn)有研究多側(cè)重于提升整體平均換熱能力，在非均勻熱流條件下對局部熱點(diǎn)的抑制和溫度均勻性的改善仍然有限，因此有必要進(jìn)一步開發(fā)新型微通道結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更高效的熱點(diǎn)冷卻與溫度控制。

Part.2研究內(nèi)容

本文提出了一種新型微通道散熱結(jié)構(gòu)——微通道中嵌入花瓣形針肋的混合交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)（HSAPP），旨在強(qiáng)化局部熱點(diǎn)區(qū)域的流動(dòng)擾動(dòng)與傳熱能力，從而提升熱點(diǎn)抑制效果并改善溫度均勻性。首先，通過參數(shù)化分析確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)配置HSAPP6，并分析其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢；隨后，在相同雷諾數(shù)和泵功條件下，將HSAPP6與傳統(tǒng)直通平行微通道（SPMC）以及高性能微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，系統(tǒng)評估其熱水力性能。同時(shí)，引入性能評價(jià)準(zhǔn)則（PEC）來衡量換熱增強(qiáng)與流動(dòng)阻力增加之間的綜合性能。最后，通過研究不同雷諾數(shù)和極端局部熱流密度條件下的熱性能變化，進(jìn)一步評估該結(jié)構(gòu)在寬工況范圍內(nèi)的適應(yīng)性與熱點(diǎn)冷卻能力。

通過模擬植物花瓣的分叉曲面結(jié)構(gòu)，在微通道熱點(diǎn)區(qū)域布置交錯(cuò)排列的花瓣形針肋，以增加換熱面積并誘導(dǎo)次級流動(dòng)，從而強(qiáng)化流體混合和熱邊界層破壞，提高局部對流換熱能力。研究建立了用于單核微處理器散熱的三維物理模型，并在中心2mm×2mm熱點(diǎn)區(qū)域布置105個(gè)六瓣針肋，同時(shí)采用33°傾斜交錯(cuò)排列以增強(qiáng)流動(dòng)擾動(dòng)。為了評估該結(jié)構(gòu)的散熱性能，本文將其與傳統(tǒng)的直通平行微通道散熱器（SPMC）和混合圓柱針肋微通道散熱器（HCP）進(jìn)行對比，通過在熱點(diǎn)區(qū)域施加非均勻熱流密度并建立相應(yīng)的計(jì)算域與邊界條件，對不同結(jié)構(gòu)的熱傳遞與流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值分析，以驗(yàn)證所提出仿生結(jié)構(gòu)在熱點(diǎn)冷卻和溫度均勻性方面的優(yōu)勢。

圖1. 自然花瓣結(jié)構(gòu)，展示多級分叉與彎曲邊緣幾何形狀

圖2. 具有六個(gè)花瓣分段結(jié)構(gòu)的HSAPP三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖3. HSAPP6結(jié)構(gòu)中熱點(diǎn)區(qū)域的放大圖

圖4. 微通道散熱器內(nèi)部針肋的排列方式示意圖

圖5. 包含邊界條件的完整計(jì)算域示意圖

以花瓣數(shù)量N（N=4~8）作為核心設(shè)計(jì)變量，在保持外形尺寸和流動(dòng)截面不變的前提下，通過幾何細(xì)分方式分析不同結(jié)構(gòu)的熱流體性能，其中以N=6為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，花瓣數(shù)量變化會(huì)影響流動(dòng)通道劃分、局部流動(dòng)擾動(dòng)及換熱能力。同時(shí)，研究還探討了HSAPP結(jié)構(gòu)的微納加工可制造性，指出交錯(cuò)排列花瓣結(jié)構(gòu)在DRIE或增材制造過程中受到最小結(jié)構(gòu)尺寸、公差控制以及刻蝕工藝精度等因素限制，尤其是花瓣數(shù)量增加會(huì)提高結(jié)構(gòu)加工難度并可能增加流動(dòng)阻力。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮散熱性能與制造可行性之間的平衡。

圖6. 不同花瓣數(shù)量（N=4–8）的花瓣形針肋結(jié)構(gòu)示意圖

基于層流不可壓縮流模型，建立了仿生花瓣形針肋微通道散熱器的數(shù)值計(jì)算模型，并通過連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程描述流動(dòng)與傳熱行為。在簡化物理假設(shè)基礎(chǔ)上，采用共軛換熱模型實(shí)現(xiàn)流固耦合傳熱，并以硅材料作為散熱器基底以兼顧高導(dǎo)熱性與微結(jié)構(gòu)加工可行性。通過設(shè)定入口速度與溫度均勻分布、出口壓力邊界、無滑移壁面及基底恒定熱流等條件，利用ANSYS Fluent進(jìn)行有限體積法求解，并采用嚴(yán)格的收斂標(biāo)準(zhǔn)以準(zhǔn)確捕捉熱點(diǎn)溫度變化，從而系統(tǒng)評估仿生結(jié)構(gòu)的熱流體性能與熱點(diǎn)抑制能力。

構(gòu)建用于評價(jià)HSAPP微通道散熱器熱水力性能的綜合性能指標(biāo)體系，重點(diǎn)分析了流動(dòng)特性、換熱能力、溫度均勻性及能耗特性。研究通過雷諾數(shù)、努塞爾數(shù)和摩擦因子評估流動(dòng)與傳熱強(qiáng)度，通過最大溫度、溫升量以及平均絕對溫度偏差（MATD）評價(jià)熱點(diǎn)抑制能力和溫度均勻性，并采用總熱阻、總壓降和泵功衡量系統(tǒng)整體散熱效率與能量消耗。最終引入性能評價(jià)準(zhǔn)則PEC用于綜合比較散熱強(qiáng)化效果與流動(dòng)阻力損失，從而實(shí)現(xiàn)對新型仿生微通道結(jié)構(gòu)性能的多維度評估與優(yōu)化。

通過網(wǎng)格無關(guān)性測試和數(shù)值模型驗(yàn)證確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。研究表明，隨著網(wǎng)格數(shù)量增加，關(guān)鍵熱工參數(shù)變化均小于1%，最終分別確定SPMC、HCP和HSAPP6結(jié)構(gòu)的最優(yōu)網(wǎng)格規(guī)模，并在兼顧計(jì)算精度與效率的前提下選用多面體網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值離散。此外，通過與已有文獻(xiàn)及不同湍流模型的對比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)誤差小于1%，證明所建立的層流數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確描述微通道內(nèi)的流動(dòng)與傳熱行為，為后續(xù)HSAPP結(jié)構(gòu)熱水力性能分析提供了可靠計(jì)算基礎(chǔ)。

系統(tǒng)研究花瓣形針肋數(shù)量對HSAPP微通道散熱器熱水力性能的影響，并確定六瓣結(jié)構(gòu)為最優(yōu)設(shè)計(jì)。研究表明，隨著花瓣數(shù)量增加，基底最高溫度、熱阻和溫度不均勻性均呈下降趨勢，但當(dāng)花瓣數(shù)超過6后，性能提升趨于飽和，而制造成本和流動(dòng)阻力逐漸增加。HSAPP6通過優(yōu)化流道劃分和強(qiáng)化流體擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的局部換熱能力和更均勻的溫度分布。流場和溫度場分析表明，花瓣針肋能夠誘導(dǎo)二次流動(dòng)、破壞熱邊界層并促進(jìn)渦旋混合，從而顯著增強(qiáng)熱點(diǎn)區(qū)域散熱性能，同時(shí)兼顧泵功消耗和制造可行性。

圖7. HSAPP6結(jié)構(gòu)中的速度流線分布：(a) HSAPP6熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的速度流線分布；(b) HSAPP6針肋陣列區(qū)域內(nèi)的速度流線分布；(c) HSAPP6中單個(gè)花瓣形針肋附近的速度流線分布

圖8. 局部努塞爾數(shù)分布等高線圖（a）在HSAPP6的熱點(diǎn)區(qū)域；（b）在HSAPP6的針肋陣列區(qū)域；（c）在HSAPP6的單個(gè)花瓣形針肋附近

在相同熱點(diǎn)熱流與流動(dòng)條件下，對SPMC、HCP與HSAPP6三種微通道散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)對比分析。結(jié)果表明，采用 花瓣形針肋結(jié)構(gòu)的HSAPP6能夠通過增強(qiáng)流體擾動(dòng)、破壞熱邊界層并促進(jìn)冷熱流體混合，從而顯著提高局部熱點(diǎn)散熱能力。與傳統(tǒng)微通道和圓柱針肋結(jié)構(gòu)相比，HSAPP6在整個(gè)雷諾數(shù)范圍內(nèi)表現(xiàn)出 更低的最大基底溫度、更低的熱阻以及更好的溫度均勻性，最大溫度可降低約20K以上，熱阻最高降低42.9%。盡管其局部壓降較大，但在達(dá)到相同冷卻能力時(shí)所需的泵功率反而降低約71%。綜合熱—水力性能評價(jià)（PEC）表明，HSAPP6的綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有針肋微通道結(jié)構(gòu)，顯示出在 高熱流密度局部熱點(diǎn)冷卻領(lǐng)域的顯著應(yīng)用潛力。

圖 9. 從努塞爾數(shù)（Nusselt number）、摩擦系數(shù)（friction coefficient） 和綜合性能評價(jià)指標(biāo)（PEC） 三個(gè)方面對SPMC、HCP和HSAPP6散熱器進(jìn)行性能比較

研究HSAPP6花瓣形針肋微通道散熱器在不同雷諾數(shù)條件下的熱流體性能。結(jié)果表明，隨著Re從200增至1000，散熱器最高溫度降低16.4K，熱阻下降50.9%，說明提高流速能夠顯著強(qiáng)化對流換熱。同時(shí) 溫度不均勻性明顯改善，并在Re≈550處達(dá)到整體與熱點(diǎn)溫度均勻性的平衡。另一方面，隨著雷諾數(shù)增加，壓降與泵功率快速上升，在Re=1000時(shí)壓降約增長9.2倍。此外，入口溫度升高會(huì) 降低冷卻液粘度、提高雷諾數(shù)并強(qiáng)化換熱，同時(shí)降低壓降約21.5%，從而減少系統(tǒng)泵功率需求。總體而言，該結(jié)構(gòu)在較低雷諾數(shù)下即可實(shí)現(xiàn)較高換熱性能和良好的溫度均勻性，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱流體綜合性能。

圖10. HSAPP6散熱器在不同雷諾數(shù)（Re=200–1000）條件下基底表面溫度均勻性系數(shù)（δT,base）與熱點(diǎn)溫度差（δT,hs）的變化情況

HSAPP6微通道散熱器在不同熱點(diǎn)熱通量條件下的熱管理性能。在 Re=400條件下，通過將熱點(diǎn)熱通量從300W/cm2提高至900W/cm2，分析了溫度分布、最大基底溫度、熱阻以及溫度均勻性等參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著熱通量增加，最大溫度和熱阻均持續(xù)升高，溫度分布逐漸惡化，當(dāng)熱通量超過600W/cm2時(shí)散熱能力明顯下降，在700–900W/cm2范圍內(nèi)熱點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)顯著高溫聚集，表明散熱器逐漸接近冷卻極限。同時(shí)，溫度非均勻性系數(shù)隨熱通量增加而上升，說明高熱負(fù)荷條件下熱量更容易在熱點(diǎn)區(qū)域積聚，整體溫度均勻性變差。

圖11. HSAPP6散熱器在不同局部熱點(diǎn)熱通量（300–900W/cm2）條件下 基底最大表面溫度（Tmax,base）和熱阻（Rth）的變化情況

Part.3未來與展望

本研究提出的仿生花瓣形針肋微通道散熱結(jié)構(gòu)（HSAPP6）在熱點(diǎn)散熱方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，通過增強(qiáng)流體擾動(dòng)、強(qiáng)化混合以及破壞熱邊界層，實(shí)現(xiàn)了更低的峰值溫度、更小的熱阻以及更均勻的溫度分布。然而，該結(jié)構(gòu)在提升傳熱性能的同時(shí)也帶來了較高的流動(dòng)阻力，因此未來研究可進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、流動(dòng)控制和工程應(yīng)用適配等方面開展深入探索。例如，可以通過優(yōu)化花瓣形針肋的尺寸、排列方式以及通道結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步降低壓降；結(jié)合多熱點(diǎn)分布、非均勻熱流條件以及實(shí)際封裝結(jié)構(gòu)開展更加貼近工程應(yīng)用的研究；同時(shí)還可探索兩相冷卻、納米流體以及仿生多尺度結(jié)構(gòu)等新型強(qiáng)化散熱方法，以進(jìn)一步提升高熱流密度電子器件的熱管理能力。此外，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與多物理場耦合分析，可推動(dòng)該類微通道散熱結(jié)構(gòu)在高功率電子器件、數(shù)據(jù)中心芯片及新能源電力電子模塊中的實(shí)際應(yīng)用。

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