曲面翅片高度對開放式微通道散熱器傳熱及流動特性影響的數值研究

論文信息：

Ramtin Fattahi, Maysam Saidi,Numerical investigation of curved shape fins height effect on heat transfer and flow characteristics in open microchannel heat sink,International Journal of Thermal Sciences 185 (2023) 108060

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.108060

Part.1

研究背景

小型器件的散熱控溫需求，以及微通道高比表面積的優勢，使得微通道散熱器成為一種極具吸引力的換熱器。微通道通過增大換熱面積實現傳熱強化，該過程僅需少量耗材和冷卻介質，但代價是會產生更大的壓降。自 20 世紀 80 年代初，塔克曼和皮斯開展開創性實驗研究以來，微通道便成為科研領域的研究熱點。近年來，眾多學者通過實驗和數值方法，對微通道的設計理念和應用場景進行了大量研究與拓展。開放式微通道是一種新型微通道結構，耗材更少且裝配更簡便。與冷卻流體僅能在流道內流動的全封閉式微通道不同，開放式微通道的冷卻流體既可在流道內流動，也可在頂蓋壁與翅片上表面之間的開放空間內流動。現有研究從多個角度對微通道展開了分析，但針對帶曲面翅片的開放式微通道散熱器的研究仍較為欠缺。本文的主要研究目的為，探究翅片高度變化對開放式微通道散熱器性能的影響，并分析各參數對其傳熱和壓降特性的作用規律。

Part.2

研究內容

本文研究對象為帶正弦曲面翅片的開放式微通道散熱器，該類型散熱器具有耗材少、重量輕、裝配簡便等優勢。圖 1 為帶正弦曲面翅片的開放式微通道散熱器的參數化尺寸示意圖，同時展示了平凸型和平凹型兩種翅片模型。此類微通道散熱器的翅片上表面也會參與換熱。

圖 1 開放式微通道散熱器幾何結構 a) 尺寸參數；b) 平凸型（左）和平凹型（右）翅片模型

本研究共設計 17 種幾何模型（見表 2），分為矩形、平凹型、平凸型三類，幾何結構示意圖見圖 2。在翅片等效高度與矩形翅片高度相同時，所有模型的翅片體積和質量均保持一致。

圖 2 散熱器翅片截面 a) 幾何參數；b) 模型命名規則

本研究以水為冷卻介質，其密度、比熱容、導熱系數和粘度等熱物理性質均隨溫度變化；固體材料選用紫銅，導熱系數為定值 387.6W/（m?K）。采用 ANSYS Fluent 軟件進行數值計算，求解方法為有限體積法，算法為 SIMPLE 算法。

圖 3 為平凸型開放式微通道散熱器的網格劃分示意圖，本研究采用非結構化網格，并通過網格無關性驗證確保計算結果的可靠性。

圖 3 固體域（左）和流體域（右）網格劃分示意圖

圖 4 為翅片等效高度 0.6mm、曲線系數 0.5 的平凸型翅片模型（a0.6t1-0.5）在雷諾數 300、熱流密度 300kW/m2 工況下，壓降隨網格數量的變化規律。

圖 4 壓降隨網格數量的變化規律

圖 5 為本文數值計算得到的壓降和流體溫變與參考文獻結果的對比，二者偏差在可接受范圍內。

圖 5 壓降和溫變與曲、穆達瓦爾研究結果的對比

本文研究了熱流密度和翅片高度對矩形、平凸型、平凹型三種翅片結構的開放式微通道散熱器傳熱和流動特性的影響，所有曲面翅片的曲線系數均為 0.35，翅片高度測試工況為 0.4、0.5、0.6 和 0.7mm，雷諾數為 300，熱流密度測試工況為 150、300、450 和 600kW/m2。

圖 6 為曲線系數恒定為 0.35 時，三種翅片模型在不同高度、不同熱流密度下的散熱器基底溫度均勻性。散熱器基底溫度均勻性越高，冷卻設備的整體表面散熱性能越好。

圖 6 雷諾數 300、曲線系數恒定為 0.35 時，矩形、平凸型、平凹型三種翅片模型在不同高度、不同熱流密度下的散熱器基底溫度均勻性

努塞爾數為表征傳熱量的無量綱數，是對流傳熱與導熱傳熱的比值。圖 7 為曲線系數 0.35、翅片高度 0.4~0.7mm 的不同翅片模型，傳熱量隨熱流密度的變化規律。結果表明，熱流密度和翅片等效高度增大，均會使努塞爾數升高。

圖 7 曲線系數恒定為 0.35 時，矩形、平凸型、平凹型三種翅片模型在不同高度、不同熱流密度下的努塞爾數

壓降是微通道散熱器的另一重要性能參數，壓降越小，所需的泵功越低。壓降受幾何結構、流速、流體特性、溫度等多種參數影響。圖 8 為曲線系數恒定為 0.35 時，不同高度翅片模型的壓降隨熱流密度的變化規律。結果表明，熱流密度增大，壓降會減小。

圖 8 曲線系數恒定為 0.35 時，矩形、平凸型、平凹型三種翅片模型在不同高度、不同熱流密度下的壓降

圖 9 為熱性能因子 η 隨熱流密度的變化規律，結果表明：平凹型翅片的熱性能因子隨熱流密度增大而降低，平凸型翅片則隨熱流密度增大而升高；平凹型翅片的熱性能因子隨翅片高度增加而降低，原因是其壓降的增幅大于努塞爾數的增幅；平凸型翅片的熱性能因子則隨翅片高度增加而升高。

圖 9 雷諾數 300、曲線系數恒定為 0.35 時，矩形、平凸型、平凹型三種翅片模型在不同高度、不同熱流密度下的熱性能因子

圖 10 為翅片等效高度 0.6mm、熱流密度 450kW/m2、雷諾數 600 工況下，平凸型和平凹型翅片各取兩種曲線系數（研究范圍內的最大值和最小值）的不同截面速度云圖，以及沿翅片截面的速度矢量圖；圖 11 為上述工況下的溫度云圖。

圖 10 不同截面的速度云圖 a) a0.6t1-0.8；b) a0.6t1-0.35；c) a0.6t2-0.5；d) a0.6t2-0.2

圖 11 不同截面的溫度云圖 a) a0.6t1-0.8；b) a0.6t1-0.35；c) a0.6t2-0.5；d) a0.6t2-0.2

圖 12 為等效高度 0.6mm 的曲面翅片模型，努塞爾數隨雷諾數的變化規律。結果表明，雷諾數增大，傳熱量升高，且增幅逐漸減小（努塞爾數由對流傳熱系數計算得到）。

圖 12 熱流密度 450kW/m2、翅片等效高度 0.6mm 時，不同曲線系數的平凸型、平凹型翅片模型努塞爾數隨雷諾數的變化規律

圖 13 為上述工況下，壓降隨雷諾數的變化規律。結果表明，雷諾數增大，壓降升高，且增幅逐漸增大；平凸型和平凹型翅片的壓降均隨曲線系數的增大而升高，原因是曲線系數增大，翅片幾何結構的突變程度加劇，對流體流動的阻擋作用增強，流道阻力增大，進而導致壓降顯著升高。

圖 13 熱流密度 450kW/m2、翅片等效高度 0.6mm 時，不同曲線系數的平凸型、平凹型翅片模型壓降隨雷諾數的變化規律

圖 14 為努塞爾數隨熱流密度的變化規律，結果表明，熱流密度增大，努塞爾數升高；平凸型和平凹型翅片的努塞爾數均隨曲線系數的增大而升高；努塞爾數最大值出現在曲線系數 0.5 的平凹型翅片工況，最小值出現在曲線系數 0.8 的平凹型翅片工況；在熱流密度 600kW/m2 工況下，研究范圍內的努塞爾數最大值與最小值相差約 11%。

圖 14 雷諾數 300、翅片等效高度 0.6mm 時，不同曲線系數的平凸型、平凹型翅片模型努塞爾數隨熱流密度的變化規律

圖 15 為壓降隨熱流密度的變化規律，流體溫度升高會使其密度和粘度降低，進而減小系統的摩擦壓降。兩種翅片模型的壓降均隨曲線系數的增大而升高，原因是曲線系數增大，流體在翅片上表面的流動方向突變程度加劇，從而導致壓降增大。

圖 15 雷諾數 300、翅片等效高度 0.6mm 時，不同曲線系數的平凸型、平凹型翅片模型壓降隨熱流密度的變化規律

Part.3

研究總結

本文數值研究了不同熱流密度、雷諾數、翅片等效高度及曲線系數下，矩形、平凸型、平凹型翅片開放式微通道散熱器的傳熱與流動特性，結果表明：熱流密度、雷諾數、翅片高度和曲線系數的增大會提升對流傳熱系數與努塞爾數，其中熱流密度增大使壓降降低，后三者則會提高壓降，且熱流密度增大會降低散熱器基底溫度均勻性，翅片高度增加則會改善該均勻性。相同工況下矩形翅片傳熱性能弱于兩種曲面翅片，低翅片高度下平凹型翅片傳熱更優，高翅片高度下平凸型翅片兼具更高的傳熱性能與更低的壓降，其熱性能因子還會隨熱流密度增大而升高，是綜合性能更優的選擇。在熱流密度450kW/m2、雷諾數600、翅片等效高度0.6mm且翅片體積和質量相同的工況下，不同曲線系數的平凸型與平凹型翅片的努塞爾數最大差值為18%，壓降最大差值達41%。

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