橫斷擾流與肋槽組合微通道熱沉傳熱特性研究

摘" 要：對傳統(tǒng)微通道熱沉進(jìn)行改良，采用橫斷擾流的布局形式，分段翅片長度從入口端到出口端逐步縮短，并在翅片迎流端和射流沖擊區(qū)域布置平滑過渡結(jié)構(gòu)以減小壓降，在翅片四等分點(diǎn)處布置奇對稱肋柱凹槽組合結(jié)構(gòu)，在橫斷區(qū)布置水滴形肋柱，并將新型熱沉和傳統(tǒng)熱沉進(jìn)行對比。對比結(jié)果表明，在研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，新型熱沉底面平均溫度Tave降低幅度約為17～26 K，對流換熱系數(shù)h提高幅度約為120%～122%，努塞爾數(shù)Nu提高幅度約為141%～143%，熱阻R降低幅度約為58%～59%。通過對水滴形肋柱取不同攻角對新型熱沉進(jìn)行優(yōu)化，對比結(jié)果表明，熱沉綜合性能評價因子PEC大致呈現(xiàn)攻角15°＞0°＞30°的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：橫斷擾流；水滴形肋柱；射流沖擊；攻角；數(shù)值模擬

中圖分類號：TK124" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0007-06

Abstract： Improvements were made to the traditional microchannel heat sink by adopting a transverse turbulent flow layout.The length of segmented fins gradually shortens from the inlet end to the outlet end. Arrange smooth transition structures at the upstream end of the fins and the jet impact area to reduce pressure drop. A combination structure of odd symmetric rib column grooves was arranged at the four equal points of the fins， and water droplet shaped ribs were arranged in the transverse section.And compare the new heat sink with the traditional heat sink. The comparison results show that within the range of Reynolds numbers studied， the average temperature Tave of the new heat sink bottom decreases by about 17～26 K， the convective heat transfer coefficient h increases by about 120%～122%， the Nusselt number Nu increases by about 141%～143%， and the thermal resistance R decreases by about 58%～59%. Through optimizing the new heat sink by taking different angles of attack on the water droplet shaped rib column， the comparison results show that the comprehensive performance evaluation factor PEC of the heat sink generally exhibits a phenomenon of attack angles of 15°gt;0°gt;30°.

Keywords： transverse turbulence; droplet-shaped ribs; jet impingement; attack angle; numerical simulation

隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展，電子器件的集成化程度越來越高，但也導(dǎo)致了較高的熱流密度，若不能有效散熱，將影響機(jī)械系統(tǒng)的正常工作。作為一種高效的微小尺度冷卻技術(shù)，微通道熱沉相比傳統(tǒng)散熱器具有體積小、對流換熱效率高、熱阻小及努塞爾數(shù)較大等優(yōu)勢。

微通道熱沉的傳熱性能和均溫性受微通道和擾流結(jié)構(gòu)布局、形狀等多方面因素的影響。Pandey等[1]通過實(shí)驗分析得到平行微通道熱沉的熱阻和表面溫度均低于針肋散熱器，但會導(dǎo)致更大的壓降結(jié)論。Bhandari等[2]對不同形狀擾流肋柱、尖端間隙和針翅孔隙率進(jìn)行對比優(yōu)化。Kose等[3]對矩形、梯形和三角形3種不同截面形狀微通道的流動傳熱性能進(jìn)行探究。Ismail等[4]利用遺傳優(yōu)化算法對錐形銷翅片的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高換熱性能和獲得更低的壓力損失。Fattahi等[5]探究并優(yōu)化了彎曲形狀翅片的流動傳熱性能。

橫斷擾流結(jié)構(gòu)微通道是一種新型微通道，它的基本構(gòu)型是將傳統(tǒng)的長肋切斷并在斷開的長肋間的橫斷面錯排布置擾流元。夏國棟等[6]的研究結(jié)果表明橫斷擾流微通道中擾流元尾渦會導(dǎo)致橫斷區(qū)熱量積聚，使得散熱效果惡化。賈玉婷等[7]和楊超等[8]分別對水滴形凹槽和水滴形肋柱進(jìn)行流動和傳熱的數(shù)值分析，得到水滴形肋柱和凹槽的流線型結(jié)構(gòu)可以有效減小壓降，避免尾渦滯止區(qū)的形成。

Bejan[9]提出了構(gòu)形定律，本研究基于構(gòu)形定律設(shè)計微通道熱沉，在盡可能增大流動傳熱性能的同時通過合理的添加擾流結(jié)構(gòu)以減小壓降和能量損耗，從而使得熱沉的綜合散熱性能達(dá)到最優(yōu)。本文將水滴形擾流元應(yīng)用在橫斷擾流結(jié)構(gòu)中以緩解在橫斷區(qū)的散熱惡化問題，并且添加底部帶有圓角的三棱柱分流肋、擴(kuò)張型噴孔和分段翅片尖角結(jié)構(gòu)以構(gòu)造平滑過渡，從而盡可能地減小傳統(tǒng)射流沖擊冷卻熱沉存在的能量損耗。潘瑤等[10]通過研究，得出前疏后密叉排微細(xì)通道有利于改善熱沉均溫性，因此在設(shè)計新型熱沉?xí)r采取擾流結(jié)構(gòu)從入口端到出口端逐步加密的布局。

本文通過將新型熱沉與傳統(tǒng)射流沖擊冷卻微通道熱沉進(jìn)行性能參數(shù)對比，印證新型熱沉的可靠性，在新型熱沉設(shè)計可靠的基礎(chǔ)上，應(yīng)用構(gòu)形定律對橫斷區(qū)水滴形肋柱的攻角進(jìn)行優(yōu)化，以進(jìn)一步提升新型熱沉的綜合性能。

1" 數(shù)學(xué)模型建立

1.1" 幾何模型

如圖1（a）所示，新型微通道熱沉包括熱沉基體和蓋板。熱源設(shè)置在熱沉基體的下方，熱沉基體由30個結(jié)構(gòu)相同、平行排列、等間距布置的矩形微通道散熱結(jié)構(gòu)單元組成。如圖1（b）所示，為便于數(shù)值模擬，取一個結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)單元中矩形槽的尺寸為0.1 mm×0.2 mm，每段翅片的長度由熱沉基體軸向中心向兩端遞減，翅片編號從軸向中心始依次為第一、二、三、四級，第一級翅片長度為2 mm，公差d=-0.1 mm。

如圖2所示，槽形流體通道單元軸向中心橫斷區(qū)設(shè)置底部倒有圓角的三棱柱分流肋，其側(cè)棱邊正對噴口軸向中心。如圖3所示，每一級翅片迎流方向設(shè)置尖角結(jié)構(gòu)，橫斷區(qū)軸向長度為0.45 mm。橫斷區(qū)設(shè)置水滴形肋柱，鈍頭為迎流方向，水滴形鈍頭圓直徑0.1 mm，漸縮尖尾頂角40°。徑向相鄰2個翅片四等分點(diǎn)設(shè)置奇對稱肋柱凹槽組合結(jié)構(gòu)，直角三角形肋柱斜邊與凹槽通道軸向中心重合。蓋板軸向中心設(shè)置矩形擴(kuò)張型噴孔，噴孔入口和出口矩形橫截面尺寸分別為0.2 mm×0.1 mm和0.4 mm×0.15 mm，矩形微通道散熱結(jié)構(gòu)單元底面尺寸18.4 mm×0.2 mm。熱沉各部分的詳細(xì)參數(shù)見表1。

1.2" 數(shù)值方法和邊界條件

采用ANSYS Fluent軟件對熱沉進(jìn)行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。熱沉基體材料選取銅，冷卻介質(zhì)選取去離子水。根據(jù)冷卻流體在熱沉中的流動及換熱特點(diǎn)，設(shè)置邊界條件，熱沉底面熱流密度為106" W/m2，去離子水入口溫度為300 K，出口壓強(qiáng)0 Pa，將流體和固體的接觸面設(shè)置為耦合壁面。橫斷區(qū)水滴形肋柱選取攻角的不同會影響到新型熱沉的綜合性能，因此分別對傳統(tǒng)射流沖擊冷卻微通道熱沉（Case1）和新型熱沉水滴形肋柱攻角在設(shè)置為0°（Case2）、15°（Case3）、30°（Case4）的工況下取一個矩形微通道散熱結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行實(shí)例分析。

1.3" 網(wǎng)格有效性驗證

由于熱沉基體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量會影響數(shù)值模擬的精確度，一般來說，網(wǎng)格越密結(jié)果越精確，但過密的網(wǎng)格會消耗大量的計算時間成本。因此對微通道散熱結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。通過對比得到，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量分別為18萬和36.5萬時，熱沉底面平均溫度的相對誤差為0.15%，說明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大約為18萬時，即可滿足精度的要求。1.4" 數(shù)據(jù)處理方法

為衡量熱沉性能引入以下評價因子

式中：h為對流換熱系數(shù)，Cp為冷卻介質(zhì)的定壓比熱容，G為質(zhì)量流率，Tout為流體出口平均溫度，Tin為流體入口平均溫度，Tw為通道內(nèi)壁面平均溫度，Tm為流場平均溫度，Aif為流固耦合壁面面積

式中：Nu為努塞爾數(shù)，Dh為微通道水力直徑，λ為冷卻介質(zhì)的熱導(dǎo)率

式中：f為達(dá)西摩擦因子，Δp為壓降，ρ為冷卻介質(zhì)密度，Uin為冷卻介質(zhì)入口速度，L為微通道長度

式中：R為熱阻。

式中：PEC為微通道熱沉綜合性能評價因子，Nu為新型熱沉努塞爾數(shù)，Nu0為傳統(tǒng)熱沉努塞爾數(shù)，f為新型熱沉達(dá)西摩擦因子，f0為傳統(tǒng)熱沉達(dá)西摩擦因子。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)研究

2.1 新型熱沉流動傳熱參數(shù)分析

如圖4 （a）、（b）、（c）、（d）所示，Case2在各個傳熱性能參數(shù)方面均有提高，在本文研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，Case2與Case1相比熱沉底面平均溫度Tave降低幅度為17～26 K，對流換熱系數(shù)h提高幅度為120%～122%，努塞爾數(shù)Nu提高幅度為141%～143%，熱阻R降低幅度為58%～59%。但如圖4 （e）所示，Case2相較Case1在流動阻力方面也有較大的升高，這是由于微通道熱沉散熱效率的提高往往伴隨著壓降和泵功的提高，因此引入熱沉綜合性能評價因子PEC來定量衡量Case2的優(yōu)勢，若PEC＞1則熱沉總體性能提高。如圖4 （f）所示，Case2在不同雷諾數(shù)下PEC值均大于1，熱沉綜合性能提升明顯。

導(dǎo)致Case2的努塞爾數(shù)優(yōu)于Case1的原因在于Case1雖然在射流沖擊區(qū)域由于較快的流速使得表面局部努塞爾數(shù)增大，但在出口端會因為熱邊界層的發(fā)展使得表面局部努塞爾數(shù)較小，即換熱效果惡化，而Case2由于添加了擾流結(jié)構(gòu)可以打破熱邊界層的發(fā)展，表面局部努塞爾數(shù)分布較為均勻，在出口端不會出現(xiàn)較大低努塞爾數(shù)區(qū)域，因此總的努塞爾數(shù)較高。

此外，Case2的綜合性能也優(yōu)于Case1，這是因為合理的布置擾流結(jié)構(gòu)及平滑過渡結(jié)構(gòu)的添加使得Case2的流阻提升不大，但由于換熱面積的增加和渦流的產(chǎn)生都可以較為明顯地提高微通道熱沉的換熱性能，因此彌補(bǔ)了流動性能的不足。

2.2 新型熱沉結(jié)構(gòu)對比優(yōu)化

如圖5 （a）、（b）、（c）、（d）所示，在本文研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，Case3和Case4的傳熱參數(shù)大小幾乎相同，Case2的換熱性能略差于Case3和Case4，前者相較后兩者熱沉底面平均溫度Tave提高0.47～0.71 K，對流換熱系數(shù)h降低幅度為3.20%～3.75%，努塞爾數(shù)Nu降低幅度為3.19%～3.74%，熱阻R提高幅度為3.31%～3.95%。

由以上數(shù)據(jù)可得，水滴形肋柱取不同攻角時熱沉的性能參數(shù)有所不同。水滴形肋柱有攻角時熱沉底面溫度、熱阻、對流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)均大于零攻角時相對應(yīng)的參數(shù)，這是由水滴形肋柱在有攻角時迎流橫截面積增大導(dǎo)致對冷卻介質(zhì)的擾動增大，從而對熱邊界層的削弱作用增強(qiáng)導(dǎo)致的。觀察到Case3和Case4換熱效果幾乎相同，其原因是雖然Case4水滴形肋柱較大的攻角增強(qiáng)了對熱邊界層的擾動，但是同時也不利于冷卻介質(zhì)在橫斷區(qū)的流動，這會導(dǎo)致熱量不能及時地被流體帶出橫斷區(qū)，2種作用效果相互抵消導(dǎo)致這種現(xiàn)象。由圖5（e）可知，摩擦因子呈現(xiàn)Case4＞Case3＞Case2的現(xiàn)象，這是由于隨水滴形肋柱攻角的增加，水滴形肋柱背流端低流速區(qū)域面積也會增大，從而使壓降增大，即肋柱對冷卻介質(zhì)的阻礙作用增強(qiáng)。由于當(dāng)攻角超過15°時，冷卻介質(zhì)流動阻力增長較快但換熱效果提升不大，基于上述性能指標(biāo)綜合考慮，如圖5（f）所示，熱沉綜合性能評價因子呈現(xiàn)Case3＞Case2＞Case4的現(xiàn)象，因此Case3綜合性能最優(yōu)。

2.3" 微通道熱沉流動傳熱性能可視化分析

導(dǎo)致不同案例流動傳熱性能參數(shù)不同的原因在于不同形式布置的擾流元對流場和對流換熱的影響不同，因此對傳統(tǒng)熱沉和新型熱沉進(jìn)行流動傳熱可視化分析。

如圖6 （a）所示，傳統(tǒng)射流沖擊冷卻熱沉?xí)谌肟诘膬蓚?cè)形成較大的渦流，這雖然有利于打破熱邊界層增強(qiáng)散熱，但由于冷卻介質(zhì)在入口端的流速較快，因此本身其壁面熱邊界層較薄，不需要形成渦流以削弱熱邊界層，反而會產(chǎn)生較大的局部流動損失，不利于冷卻介質(zhì)的流動。同時，冷卻介質(zhì)無法平滑地由徑向速度轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向速度，從而進(jìn)一步增大壓降。如圖6 （b）所示，新型熱沉的擴(kuò)張型噴口有助于增加冷卻介質(zhì)的軸向速度分量，同時底部帶有圓角的三棱柱分流肋可以使得冷卻介質(zhì)平滑地由徑向速度向軸向速度過渡，且不形成較大的流動滯止區(qū)，從而減小壓降。

如圖7所示，由于微通道的突擴(kuò)，冷卻介質(zhì)在分段翅片的背流端形成穩(wěn)定的尾渦，尾渦可以通過削減熱邊界層厚度，阻滯熱邊界層發(fā)展從而改善換熱。由于分段翅片迎流端的尖角結(jié)構(gòu)可以在橫斷區(qū)和下一級通道之間構(gòu)造平滑過渡，因此避免了流體垂直沖擊翅片迎流端產(chǎn)生較大壓降。在Case2中水滴形肋柱由于迎流面積較小，對冷卻介質(zhì)的擾動加速作用不明顯。在Case3中水滴形肋柱對冷卻介質(zhì)的擾動加速作用增強(qiáng)，鈍端附近流體速度增加，迎流面積增大，對流換熱效應(yīng)提升。在Case4中水滴形肋柱對流體的擾動進(jìn)一步增強(qiáng)，但會在背流區(qū)形成流動滯止區(qū)，使得冷卻介質(zhì)在橫斷區(qū)對流換熱效應(yīng)提升效果不明顯。

如圖8所示，為增強(qiáng)新型微通道熱沉在分段翅片區(qū)域內(nèi)的換熱效果，在分段翅片四等分點(diǎn)處設(shè)置奇對稱肋柱凹槽組合結(jié)構(gòu)，其在沒有凹槽的一端相當(dāng)于一段突縮通道，通過增加冷卻介質(zhì)流動速度增大換熱能力，在有凹槽的一端相當(dāng)于漸縮通道和漸擴(kuò)通道的組合，通過冷卻介質(zhì)對凹槽壁面的沖擊增大換熱能力。橢圓形凹槽和直角三角形肋柱漸縮尖尾組合結(jié)構(gòu)可以使得來流形成兩股分流，并在直角三角形肋柱尾部平滑的合流，以減小能量耗散。

表面局部努塞爾數(shù)是衡量微通道熱沉換熱效果的重要指標(biāo)之一，表面局部努塞爾數(shù)的提高代表著對流換熱效果的提升，從而有利于微通道熱沉進(jìn)行傳熱。由于擾流結(jié)構(gòu)的添加使得微通道內(nèi)的流場發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致表面局部努塞爾數(shù)的提高和底面溫度的減小。如圖9所示，由于分段翅片的尾渦以及冷卻介質(zhì)對水滴形肋柱鈍端和分段翅片迎流尖端的沖擊，使得表面局部努塞爾數(shù)在上述區(qū)域增大。在相同位置Case3橫斷區(qū)域水滴形肋柱的表面努塞爾數(shù)比Case2高2 000左右，且在迎流端存在較大面積的高努塞爾數(shù)區(qū)域，即換熱效果優(yōu)于Case2。Case4由于水滴形肋柱迎流橫截面積最大，且流體的速度梯度最大，因此對流體的擾動最大，對流換熱效應(yīng)最強(qiáng)，其表面努塞爾數(shù)明顯大于Case2和Case3。

綜上，由于Case3的流動傳熱綜合性能最佳，因此將Case1和Case3微通道熱沉底面溫度云圖進(jìn)行對比。如圖10（a）所示，Case1雖然在入口端的冷卻效果強(qiáng)，但在出口端由于缺乏擾流結(jié)構(gòu)，使得溫度急劇上升，這會導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力，不利于微電子器件的散熱。如圖10（b）所示，由于合理的擾流結(jié)構(gòu)的添加，Case3熱沉底面溫度較低，且均溫性得到顯著提高，這有利于減小熱應(yīng)力，且有效地提高熱沉的散熱性能。

3" 結(jié)束語

本文提出了一種基于橫斷擾流和肋柱凹槽組合設(shè)計的射流沖擊冷卻微通道熱沉，采用數(shù)值模擬方法對比了新型熱沉與傳統(tǒng)射流沖擊冷卻熱沉的流動傳熱性能，并通過改變水滴形肋柱攻角對新型熱沉進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：

1）與傳統(tǒng)熱沉相比，新型熱沉在傳熱性能參數(shù)方面均有提高，在本文研究的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，熱沉底面平均溫度Tave降低幅度約為17～26 K，對流換熱系數(shù)h提高幅度約為120%～122%，努塞爾數(shù)Nu提高幅度約為141%～143%，熱阻R降低幅度約為58%～59%。

2）水滴形肋柱在0°、15°和30°攻角下新型熱沉綜合性能評價因子PEC均大于1，即新型熱沉綜合性能均優(yōu)于傳統(tǒng)射流沖擊冷卻微通道熱沉。

3）新型熱沉水滴形肋柱攻角存在最優(yōu)解。當(dāng)水滴形肋柱攻角取15°時新型熱沉的綜合性能評價因子PEC最高。若攻角過小，則肋柱迎流橫截面積過小，對冷卻介質(zhì)的擾動過小，散熱效果提升相對較小。若攻角過大時則會在肋柱背流區(qū)形成較大的流動滯止區(qū)，使冷卻介質(zhì)在橫斷區(qū)的流動性變差，散熱效果沒有提升。

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