ICHMT: 帶關(guān)聯(lián)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的針肋微通道熱沉流動與傳熱特性研究

論文信息：

Changda Nie, Zhonghao Rao, Haitao Wang, Hongyang Li, Jiangwei Liu, Xinjian Liu, Flow and heat transfer characteristics of pin-fin microchannel heat sink with associated diversion structure, International Communications in Heat and Mass Transfer 175 (2026) 111004

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.111004

Part.1

研究背景

微通道熱沉有著輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊和傳熱面積大等特點(diǎn)，是小型化高度集成電子器件散熱的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前有如改進(jìn)流道結(jié)構(gòu)、引入針肋、傳熱流體中分散納米顆粒和微膠囊相變材料等研究。

添加針肋可以增加傳熱面積和促進(jìn)流體混合。但是，其在實(shí)現(xiàn)MCHS傳熱強(qiáng)化的同時，會在針肋后方形成流動死區(qū)和增加壓降。

為解決上述問題，文章提出了一種集成關(guān)聯(lián)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)（ADS）的新型PFMCHS。其可以強(qiáng)制針肋側(cè)方的流體流向其后方，有望消除死區(qū)并且增強(qiáng)冷熱流體混合。文章設(shè)計(jì)了一系列不同參數(shù)的ADS，并將其與傳統(tǒng)的PFMCHS進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證其性能。

Part.2

研究內(nèi)容

圖1展示了本研究所用微通道熱沉的示意圖。幾何參數(shù)參照了實(shí)驗(yàn)配置進(jìn)行選取。由于針肋呈周期性排列，因此選取單個通道作為計(jì)算域。流道高度為1.0 mm。基板的長度、高度和厚度分別為55.0、1.0和0.25 mm。直徑為0.5 mm、間距為1.5 mm的針肋均勻排布在基板上。基板與針肋的材料為銅，工質(zhì)流體為水。

圖 1(a) PFMCHS 和 (b) 計(jì)算域的示意圖

該研究設(shè)計(jì)了18種不同的關(guān)聯(lián)倒流結(jié)構(gòu)，以探究其在PFMCHS中強(qiáng)化傳熱的潛力。案例一中為僅由針肋構(gòu)成，案例二至十八則在每個針肋后增加了兩個額外的ADS。ADS高度與針肋一致，與針肋的水平距離和垂直距離分別為LZ與LS。

圖 2具有不同關(guān)聯(lián)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的PFMCHS示意圖

如圖3所示，幾何模型采用FLUENT MESHING軟件劃分多面體網(wǎng)格。為更好地捕捉熱沉基板附近的流動與傳熱特性，進(jìn)行了邊界層網(wǎng)格細(xì)化。第一層邊界層網(wǎng)格厚度為0.01 mm，增長率為1.1。當(dāng)N = 3,315,739和6,638,258時，計(jì)算結(jié)果幾乎相同，壓降、熱阻和最高溫度的最大誤差分別為0.16%、0.04%和0.01%。因此，選取N = 3,315,739的網(wǎng)格設(shè)置進(jìn)行后續(xù)模擬計(jì)算。

圖 3具有關(guān)聯(lián)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的針肋微通道熱沉的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

圖4a展示了文獻(xiàn)[45]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本研究計(jì)算結(jié)果的壓降對比。可以看出，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，本研究在低雷諾數(shù)（Re）下的壓降較高，而在高Re下則較低。在Re=1000時，壓降的最大偏差為7.8%。文獻(xiàn)[45]模擬結(jié)果與本研究的熱阻變化情況也展示在圖4b中，本研究結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)吻合良好。

針對帶有橢圓形針肋的MCHS，通過將本模型的努塞爾數(shù)（Nu）與Wang等人[32]報道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在他們的實(shí)驗(yàn)中，PFMCHS具有周期性結(jié)構(gòu)，單個微通道的尺寸為0.55 × 1.5 × 10 mm。實(shí)驗(yàn)采用去離子水作為工質(zhì)。圖4c和圖4d分別展示了平均Nu和摩擦因子隨Re的變化情況。可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總體吻合良好。Nu和摩擦因子的實(shí)驗(yàn)與模擬數(shù)據(jù)最大誤差分別為3.4%和4.1%，從而驗(yàn)證了本數(shù)值模型的正確性

圖 4本研究結(jié)果與 (a-b) 文獻(xiàn)[45]的實(shí)驗(yàn)及模擬數(shù)據(jù)、(c-d) 文獻(xiàn)[32]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比

不同入口流速下的流動與傳熱行為趨勢相似，因此本文僅展示uin= 0.25 m/s的結(jié)果。針肋中心平面的速度分布及熱沉溫度分布如圖5所示。

隨著H增大，光滑區(qū)域的面積遠(yuǎn)小于針肋區(qū)域，流體被迫流經(jīng)針肋與ADS，因此針肋區(qū)域的流速隨H的增大而提高。更高的流速帶來更強(qiáng)的對流傳熱。隨著H的增大，針肋頂部形成了波狀流動且其幅度也隨之增大。故案例6的熱沉溫度最低，其次是案例5、4、3和2。

圖 5在入口流速 uin = 0.25m/s條件下，不同高度（含無ADS）的PFMCHS的（a）針肋中心平面速度分布和（b）固體表面溫度分布

圖6展示了在入口流速uin= 0.25m/s條件下，不同高度（含無ADS）的PFMCHS在針肋半高平面上的速度和溫度分布。

無ADS的PFMCHS（案例1）針肋后方存在流動死區(qū)，這不利于傳熱。引入ADS后，由于ADS使針肋后方的流動發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這些流動死區(qū)得以緩解。流動死區(qū)的減小有助于針肋與流體之間的傳熱。同時，ADS的存在也導(dǎo)致了流動方向的改變和換熱表面積的增加。對于案例1，周期性邊界附近的流體流動幾乎與該平面平行，該區(qū)域流體溫度遠(yuǎn)低于中心區(qū)域。相比之下，在案例2至案例6中，由于ADS的存在，部分低溫流體向中心區(qū)域偏移。這增強(qiáng)了冷熱流體的混合，使得流體溫度更加均勻，從而降低了針肋和ADS的溫度，如圖6b所示。

圖 6在入口流速uin=0.25 m/s條件下，不同高度（含無ADS）的PFMCHS在針肋半高平面上的（a）速度云圖和（b）溫度云圖

圖7a比較了在入口流速uin=0.25m/s條件下，有無ADS的PFMCHS加熱面中心線溫度。可以看出入口與出口的溫度存在明顯溫差，并且這種溫差隨著其高度的增加而減緩。圖7b比較了在針肋1/2高度處熱沉的中心線速度。其呈現(xiàn)周期性，在針肋后方先增大后減小。并且?guī)в蠥DS的案例斜率更大，表明ADS消除了針肋后方的流動死區(qū)。

圖 7在入口流速uin=0.25m/s條件下，不同高度（含無ADS）的PFMCHS的 (a) 加熱面中心線溫度和 (b) 針肋中心線速度沿流動方向的對比

圖8a展示了不同高度（H）下，有無ADS的PFMCHS的最高溫度。因?yàn)榈土魉傧聦?dǎo)熱占主導(dǎo)，而案例2、3的導(dǎo)熱面積小于案例1，故溫度要高于案例1。另外隨著高度的增加，溫度逐漸減小。這也就是前述的針肋和ADS周圍的流速高，冷熱流體混合更強(qiáng)烈所致。圖中表面在案例5、6的條件下添加ADS獲得了更好的散熱能力。

圖8b所示，壓降也隨著高度H的增加而增加。尤其是在高uin下表現(xiàn)更為明顯。原因在于更高的H導(dǎo)致容積的減小，進(jìn)而產(chǎn)生更大的阻力。另外所以案例的壓降均小于案例1。表面ADS的應(yīng)用在降低了溫度的同時還降低了壓降。

圖8c繪制了不同ADS高度下的熱阻隨泵功的變化關(guān)系。熱阻隨著泵功的增加而指數(shù)下降。較高的uin增強(qiáng)了對流傳熱，從而降低了通過換熱表面導(dǎo)熱的相對貢獻(xiàn)。也就是說H大于等于0.5mm的帶ADS的PFMCHS優(yōu)于不帶ADS的。

圖8d表明努塞爾數(shù)隨著uin的增大而增大。帶有ADS的PFMCHS的努塞爾數(shù)有更大的增大比例。圖8e所示為性能評價準(zhǔn)則（PEC）用于評估ADS對PFMCHS的傳熱強(qiáng)化性能。在所有uin下案例5、6均高于案例1。故可選取案例6進(jìn)行后續(xù)研究。

圖 8不同高度（含無ADS）的PFMCHS的 (a) 熱沉最高溫度、(b) 壓降、(c) 熱阻、(d) 努塞爾數(shù)和 (e) 性能評價準(zhǔn)則的對

圖9展示了在入口流速uin=0.25m/s條件下，不同水平距離ADS的PFMCHS的速度和溫度分布。隨著Lz的增大，針肋后方的流動死區(qū)逐漸增大。案例10已接近于案例1。如前述，ADS能夠迫使針肋側(cè)方的流體流向中心區(qū)域，但當(dāng)Lz增大時，流動空間變大，使得這種能力被削弱。同時還削弱了換熱表面積和冷熱流體的混合程度。另外，當(dāng)Lz較小時，ADS后方也會形成死區(qū)。但與針肋相比小得多，因?yàn)獒樌叱叽绫華DS大。

圖 9在入口流速 uin= 0.25 m/s 條件下，不同水平距離的 PFMCHS 在針肋半高平面上的速度分布及固體表面溫度分布

圖10研究了ADS與針肋之間垂直距離Lz對PFMCHS性能的影響，其中Lz = 0.1mm被確定為最優(yōu)配置。

在傳熱性能方面，除Lz = 0.9mm外，最高溫度隨Lz增大而升高，Lz = 0.1mm在所有流速下均取得最低的最高溫度，相比無ADS的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)降低19.2%~22.6%；同時其熱阻在泵功低于0.4 mW時最低，努塞爾數(shù)在所有流速下均為最高，提升幅度達(dá)82.6%~106.0%。

在流動性能方面，Lz = 0.1mm的壓降最大，且隨流速升高增幅愈加顯著（40.0%~103.8%），這是因?yàn)檩^小的垂直距離迫使流體從更窄的間隙通過，流動阻力增大。

綜合來看，Lz = 0.1 mm的性能評價準(zhǔn)則在所有流速下均為最高（1.35~1.95），在uin = 0.2m/s時達(dá)到峰值1.95。盡管該配置帶來了最高的壓降，但其在降低最高溫度、減小熱阻、提升努塞爾數(shù)方面均表現(xiàn)最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了換熱強(qiáng)化與壓降代價之間的最佳平衡。

圖 10不同水平距離Lz的ADS的PFMCHS的 (a) 最高溫度、(b) 壓降、(c) 熱阻、(d) 努塞爾數(shù)和 (e) 性能評價準(zhǔn)則的對比

圖11展示了在入口流速uin = 0.25 m/s條件下，不同相鄰ADS之間垂直距離 Ls的PFMCHS在針肋半高平面上的速度分布。如圖所示，隨著Ls的減小，周期性邊界附近的流速逐漸增大。其原因是，流動阻力增大，流體難以流過該間隙。這意味著此時，ADS對冷熱流體的混合作用較弱。同時，流動死區(qū)在較小的Ls下也會擴(kuò)大。案例11的流動死區(qū)甚至比案例1還要大。即ADS消除流動死區(qū)的能力也被削弱了。故傳熱強(qiáng)化效果被減弱。這一點(diǎn)可以從圖12所示的溫度云圖中看出。案例11的高溫區(qū)域最大，其次是案例12、13、14和7。此外，還可以看到流體溫度更加不均勻。

圖 11在入口流速uin = 0.25m/s條件下，不同垂直距離Ls的PFMCHS在針肋半高平面上的速度云圖

圖 12在入口流速uin= 0.25m/s條件下，不同垂直距離Ls的PFMCHS的溫度云圖

圖13系統(tǒng)分析了不同針肋與導(dǎo)流結(jié)構(gòu)垂直距離Ls的針肋微通道熱沉（PFMCHS）的最高溫度、熱阻、壓降及性能評價系數(shù)（PEC），結(jié)果表明：當(dāng)入口流速uin<=0.2m/s時，最高溫度隨 Ls減小而升高，工況14為最優(yōu)方案，其 最高溫度較基準(zhǔn)工況1降低20.0%~22.5%，同時該工況在保持相近熱性能的前提下可較工況1降低50.6%的泵功率；當(dāng) uin>0.2m/s時，最高溫度隨Ls減小先升后降，工況7的最低，較工況1降低20.4%~22.6%，且在 uin>=0.25m/s時取得最高努塞爾數(shù)；壓降隨 Ls和 uin增大而上升，其中工況14壓降最大，較工況1增幅達(dá)59.9%~118.7%，這是因?yàn)長s增大導(dǎo)致流道局部變窄、流動阻力增強(qiáng)；相同泵功率下工況11–13熱阻基本一致且低于工況7、14，而從PEC綜合評價來看，uin<=0.2m/s時工況7最優(yōu)，uin>0.2m/s 時工況13最優(yōu)，最終綜合來看選取工況7開展后續(xù)研究。

圖 13不同垂直距離Ls的ADS的PFMCHS的 (a) 最高溫度、(b) 壓降、(c) 熱阻、(d) 努塞爾數(shù)和 (e) 性能評價準(zhǔn)則的對比

由圖14可以看出，將 D 從 0.175 mm 改變到 0.275 mm 對針肋后方的流動死區(qū)影響不顯著。而 D 的減小使得相鄰兩個 ADS 之間的間距增大，從而為流體創(chuàng)造了有利的流動路徑。冷熱流體的混合被削弱，從而惡化了流體與針肋之間的傳熱。如圖15所示，案例15的溫度最高。

另外，較大的 ADS 會導(dǎo)致其后方形成流動死區(qū)。當(dāng) D=0.275mm時，該死區(qū)與針肋后方的死區(qū)合并，從而形成一個非常大的流動死區(qū)。但是，該流動死區(qū)遠(yuǎn)離針肋，因此對傳熱的削弱作用不顯著。同時，較大的 ADS 具有更大的換熱表面積，從而增強(qiáng)了對流傳熱。最終，如圖15所示，案例17和案例18的溫度分布幾乎相同。

圖 14在入口流速 uin = 0.25 m/s條件下，不同直徑ADS的PFMCHS在針肋半高平面上的速度云圖

圖 15不同直徑導(dǎo)流結(jié)構(gòu)（ADS）的針肋微通道熱沉（PFMCHS）溫度云圖

不同直徑ADSS的PFMCHS性能對比結(jié)論：增大ADSS直徑可顯著提升冷卻能力、降低最高溫度與熱阻，強(qiáng)化對流換熱并提高綜合性能評價系數(shù)，但會導(dǎo)致壓降升高；其中最優(yōu)構(gòu)型可在較寬泵功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)20.8–22.2%的熱阻降低，同時使努塞爾數(shù)較基準(zhǔn)方案提升153.7–225.3%，綜合性能評價系數(shù)達(dá)1.84–1.97，另有構(gòu)型可在保持相近熱性能的前提下大幅降低泵功率消耗。

圖 16不同直徑ADS的PFMCHS的 (a) 最高溫度、(b) 壓降、(c) 熱阻、(d) 努塞爾數(shù)和 (e) 性能評價準(zhǔn)則的對比

Part.3

研究總結(jié)

本文提出將關(guān)聯(lián)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)（ADS）集成到針肋微通道熱沉（PFMCHS）中，以增強(qiáng)其散熱能力。通過數(shù)值研究，評估了ADS的高度H、水平偏移量Lz、垂直偏移量Ls和直徑Dv的影響。在更低的固體體積分?jǐn)?shù)下，將其性能與傳統(tǒng)PFMCHS進(jìn)行了比較。主要結(jié)論如下：

（1）ADS的引入不僅減小了PFMCHS中針肋后方的流動死區(qū)，還促進(jìn)了冷熱流體在垂直和高度方向上的混合。

（2）較高的ADS通過提高針肋周圍的流速并提供更大的換熱表面積，增強(qiáng)了PFMCHS的熱性能。

（3）增大Lz會導(dǎo)致帶ADS的PFMCHS的散熱能力下降，這是因?yàn)槠鋵︶樌吆蠓搅鲃铀绤^(qū)的抑制作用減弱。

（4）減小Ls會因間距變小而使針肋后方的流動死區(qū)擴(kuò)大。

（5）帶ADS的PFMCHS的熱性能隨著ADS直徑的增大而提高。

Flow and heat transfer characteristics of pin-ffn microchannel heat sink with associated diversion structure.pdf

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