帶肋復合微通道換熱器內流動傳熱性能研究

摘要："為探究微肋與二次通道復合結構對微通道換熱器流動換熱性能增強的影響機理，采用數值方法，研究了不同雷諾數下6種帶肋復合微通道換熱器內的壓降、流場結構、摩擦系數、基底溫度、相對努賽爾數和綜合流動換熱性能，并與矩形光滑微通道和無肋二次通道微通道的流動換熱性能進行了對比。研究表明：在流動特性方面，引入二次通道結構對微通道內的壓降損失和相對摩擦系數沒有影響，但引入微肋結構會產生節流效應并誘發漩渦結構，導致微通道內的壓降損失增大"3～10倍；在傳熱特性方面，引入二次通道結構能夠強化換熱，在二次通道結構基礎上增加微肋結構能進一步增強微通道換熱器的傳熱性能；相比于矩形光滑微通道和無肋二次通道微通道，復合微通道換熱器的基底溫度最高下降13.52K，相對努塞爾數最高增大35.36%；在綜合性能方面，對于所研究的6種帶肋復合微通道換熱器，前三角肋復合微通道具有最優的流動傳熱綜合性能，并具有高流速、低泵功率、低熱阻等優點。

關鍵詞："換熱器；復合微通道；二次通道；微肋；流動；傳熱

中圖分類號："TK172"文獻標志碼：A

DOI："10·7652/xjtuxb202408010"文章編號：0253-987X（2024）08-0092-11

Study on Flow and Heat Transfer Performance in Ribbed Composite Micro-Channel Heat Sinks

ZHAO Haoteng， CUI Kailu， ZHANG Zitao， WU Yue， HE Kun， YAN Xin

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract："To explore the effect of composite structure of micro-ribs and secondary channel on the enhancement of flow and heat transfer performance in micro-channel heat sinks， the numerical method is utilized to investigate the pressure drop， flow structure， friction factor， base temperature， relative Nusselt number， and comprehensive flow and heat transfer performance in the heat sinks of six different ribbed composite micro-channels at a range of Reynolds numbers. The flow and heat transfer performance in the composite micro-channel heat sinks are compared with those in the rectangular smooth micro-channel and the non-ribbed micro-channel with secondary channel. The results show that， with respect to the flow characteristic， the introduction of the secondary channel has no effect on the pressure drop penalty and the relative friction coefficient in the micro-channel. However， the introduction of the micro-ribs produces a throttling effect and induces vortex structures， resulting in an increase of 3—10 times in the pressure drop penalty in the micro-channel. For the heat transfer characteristic， the introduction of the secondary micro-channel enhances the heat transfer in the micro-channel， and the micro-ribs in addition to the secondary micro-channel can further improve the heat transfer. Compared with the rectangular smooth micro-channel and the non-ribbed micro-channel with secondary channel， the base temperature in the composite micro-channel heat sink is decreased by 13.52K and the relative Nusselt number is increased by 35.36% at most. In terms of the comprehensive performance， among the six ribbed composite micro-channel heat sinks studied， the composite micro-channel with front triangular ribs has the best comprehensive flow and heat transfer performance， and the advantages such as the high flow velocity， low pump power consumption， and low heat resistance.

Keywords："heat sink; composite micro-channel; secondary channel; micro-rib; flow; heat transfer

近年來，隨著微電子技術的不斷進步，先進電子設備元器件逐漸向微型化、集成化方向發展，電子元器件單位面積上的發熱功率增加，導致傳統的冷卻方式逐漸難以滿足微型電子設備器件的散熱要求"［1］。為了增強高性能芯片的散熱能力，開發新型高效冷卻技術并加以改進，已成為芯片技術領域亟待解決的重要課題，受到了研究者們的廣泛關注。

微通道換熱器具有尺寸小、重量輕、結構緊湊及傳熱性能好等優點，因而被研究者廣泛認為是解決高熱流密度芯片的散熱問題的有效手段，目前研究者針對不同結構的微通道換熱器開展了大量的實驗"［2-3］和數值"［4-6］研究，開發出許多結構獨特、性能高效的復雜微通道換熱器"［7-9］。

已有研究表明，肋結構可以有效增強微通道換熱器的換熱能力"［10-12］。Huang等"［13］通過實驗研究了帶圓形肋、橢圓形肋及水滴形肋圓管通道在相同的肋高及截面積下的換熱性能，發現帶橢圓形肋圓管通道的局部努塞爾數最高，而帶水滴形肋圓管通道具有最優的綜合性能。Chai等"［14］對5種帶側壁偏置肋的微通道換熱器的流動與傳熱特性進行了數值模擬，結果表明，帶偏置肋微通道換熱器的努塞爾數是光滑微通道換熱器的1.42～1.95倍，性能評價指標為1.02～"1.48倍，換熱性能均顯著增強。然而，微通道換熱性能的增強常常伴隨著壓降的增大"［14-15］。張承武等"［16］通過實驗研究發現帶圓形肋、橢圓形肋及菱形肋微通道流道內的阻力系數隨著雷諾數的增大而逐漸減小，但壓降隨流量的增大而增大，高雷諾數下帶橢圓形肋微通道的壓降和阻力系數最小，分別為"18kPa 和0.26。

此外，在微通道換熱器中適當地引入二次通道結構可以降低熱阻"［17］，部分微通道換熱器還可以保持壓降基本不變"［18-19］。Fan等"［20］通過引入連接主通道的二次通道結構，實現了流動的充分混合及邊界層的周期性破壞與重生成，在強化傳熱的同時保持壓降損失基本不變。Raja Kuppusamy等"［21］將具有交替傾斜二次通道的微通道換熱器與普通的微通道換熱器的流動換熱性能進行對比，發現其整體性能提高了146%，熱阻值降低了76.8%，同時伴隨著壓降損失的減小。研究發現，二次通道內會出現漩渦結構，影響流體與固體壁面之間的換熱，而采用二次通道復合肋結構的方法，可以改變流體的流向，增加二次通道內的流體流量，抑制漩渦結構的發展"［22］。

由此可見，采用肋與二次通道的復合結構不僅能夠顯著增強微通道換熱器內的換熱，還能抑制壓降損失增加的幅度，同時可減弱二次通道中的漩渦結構，從而獲得更優良的流動傳熱綜合性能。然而，目前針對帶不同肋結構的二次通道復合微通道換熱器的流動與傳熱性能研究論文相對較少，復合結構對微通道內流動換熱性能增強的影響機理尚不明確。因此，本文建立了6種帶肋復合微通道換熱器模型，采用數值方法對帶肋復合微通道換熱器內的流動換熱特性進行了研究，并與矩形光滑微通道以及無肋二次通道微通道內的流動換熱特性進行了對比，指出了影響換熱增強的關鍵因素，獲得了性能最優的帶肋復合微通道結構。

1"數值計算方法

1.1"計算模型與邊界條件

圖1給出了本文研究的8種微通道換熱器的局部俯視圖。其中圖1（a）和圖1（b）為矩形光滑微通道及無肋二次通道微通道，為參考結構；圖1（c）～（h）為6種帶肋復合微通道。由于微通道換熱器在橫向具有幾何對稱性，因此每個微通道換熱器只取一個周期通道作為研究對象，冷卻液從銅金屬壁面周圍流過。

帶肋復合微通道換熱器的基本原理是：當冷卻液在微通道中流動時，肋結構會使冷卻液的流動方向發生改變。一部分冷卻液流入二次通道內，與固體壁面核心溫度區進行換熱；另一部分冷卻液仍在主流通道中流動，但會因流向的周期性變化而受到劇烈擾動，增強了其與固體壁面間的換熱水平。因此，微通道換熱器的換熱能力大幅提高。以前三角肋復合微通道為例，圖2顯示了其計算模型及邊界條件，主要邊界條件設置如表1所示。

以三角肋復合微通道為例，其幾何參數定義如表2所示，具體幾何特征位置如圖3所示。在本文中，復合微通道換熱器最重要的幾何參數是二次通道寬度Ws、肋長LR以及肋寬WR。其中：二次通道寬度決定了流體與固體壁面換熱面積的增加程度，進而影響到流體與固體壁面間的換熱量；肋長和肋寬則共同決定了肋結構對流體流向的擾動影響，通過改變復合微通道換熱器的流動特性來增強其傳熱特性。為使流體流經肋結構時產生分流，引導部分流體進入二次通道內，對二次通道壁面產生沖擊作用，增強二次通道結構的對流換熱能力，因此本文選取的肋長LR與肋寬WR分別為60、35 μm。

此外，肋結構布置在二次通道入口處能有效實現分流，因此本文中肋長的中心線與二次通道的入口中心線重合，肋結構位于主流道正中心位置。為與微肋相互配合，二次通道寬度Ws取值為100μm。

本文計算域包括流體域和固體域，采用ANSYS Workbench Mesh對其生成非結構化網格。為滿足計算精度要求，對流固耦合面進行加密處理，方法為平滑過渡，網格的過渡比為0.272，邊界層層數為20層，膨脹比為1.2。以菱形肋復合微通道為例，圖4展示了其網格示意圖。由表1、表2可知，本文中的流動最大雷諾數在500左右，因此采用層流流動計算方法，采用ANSYS Fluent對微通道的流動傳熱性能進行計算。計算時，采用SIMPLE算法對流固耦合問題的流動傳熱方程進行迭代求解，當殘差降至10"－6以下時（能量方程降至10"－9），認為計算收斂。

在本文的數值模擬中，金屬固體的材質為銅，冷卻液為水。水的物性參數受到溫度的影響較大，為了得到更為準確的模擬結果，假定水的物性參數不受壓力的影響，將水的導熱系數"［23］和動力黏度"［24］表達為溫度T的多項式函數，表達如下

而受溫度影響較小的密度和比定壓熱容則取為默認值，表達如下

ρ=998.2kg/m3（3）

cp=4.182kJ/（kg·K）（4）

1.2"參數定義

雷諾數定義為

Re=ρu"inDμ（5）

式中：ρ為水的密度，kg/m3；u"in為流體進口速度，m/s，D為當量直徑，m；μ為水的動力黏度，Pa·s。

當量直徑定義為

D=4hWch+2Wc（6）

式中：h為微通道高度，m；Wc為主通道半寬度，m。

表面摩擦系數定義為

f=DΔp2Lρu2"in（7）

式中：Δp為流體進出口壓力差，Pa；L為微通道總長度，m。

平均換熱系數定義為

h"ave=q"effABA"con（T"W，ave－T"f，ave）（8）

式中：q"eff為有效熱流密度，W/m2；AB為基底加熱面積，m2；T"W，ave為微通道內與流體接觸的壁面平均溫度，K；T"f，ave為流體的平均溫度，K；A"con為流體與固體壁面之間的對流換熱面積，m2。

有效熱流密度定義為：

q"eff=mcp（T"out－T"in）AB（9）

式中：m為流體的質量流量，kg/s；cp為流體的比定壓熱容，J/（kg·K）；T"out為出口流體的平均溫度，K；T"in為進口流體的平均溫度，K。

流體的平均溫度定義為

T"f，ave=T"in+T"out2（10）

平均努塞爾數定義為

Nu=h"aveDkf（11）

式中：kf為流體的導熱系數，W/（m

K）。值得指出的是，本文在處理數據時，水的導熱系數kf和動力黏度μ都是根據水的平均溫度T"f，ave給出的。

熱阻定義為

R"th=T"W，ave－T"inq"eff（12）

泵功率定義為

PP=ΔpQv（13）

式中：Qv為流體的體積流量，m3/s。

1.3"網格無關性考核

本文對矩形光滑微通道的流動傳熱特性數值計算進行了網格無關性驗證，表3給出了不同網格數時矩形光滑微通道的壓降Δp與平均努塞爾數Nu參數的驗證結果。

式中：X表示壓降Δp或平均努塞爾數Nu；X1表示較小網格數的模擬計算值，X2表示較大網格數的模擬計算值。

在本文中，當elt;0.15%時，則稱X1對應的網格數為最優網格數，認為此時已經達到網格無關性。從表3中可以看出，當網格數達到660萬時，計算結果與網格數為800萬時的計算結果之間的誤差小于0.15%，繼續增加網格數對計算結果影響較小，達到網格無關性。因此，矩形光滑微通道的網格數確定為660萬。

1.4"數值方法驗證

采用數值方法計算了矩形光滑微通道結構的流動與傳熱特性，并將計算結果與實驗結果"［25］進行了對比，如圖5所示。可知，對于反映流動性能的指標參數Po=fRe，模擬結果與實驗結果吻合較好，數值結果與實驗值間的最大誤差僅為1.58%，遠小于實驗的測量誤差3.95%"［25］；對于反映傳熱性能的指標參數Nu，雖然數值計算結果比實驗結果普遍偏高，但數值計算結果仍落在實驗測量的誤差范圍內（實驗誤差為7.39%"［25］），且二者也具有相同的變化趨勢。因此，本文所采用的數值方法具有較高的精度。

2"結果與討論

2.1"流動特性

2.1.1"壓降特性

圖6給出了流體進出口壓降Δp隨雷諾數Re的變化曲線。由圖6可知，僅增加二次通道結構對流體進出口壓降損失幾乎沒有影響。這是因為流體在無肋二次通道微通道內流動時受到的擾動較小，擾動僅發生在二次通道出入口處，低流速流體進入二次通道后受高速主流影響，難以流出二次通道，因此流體在主通道內的流動狀態與矩形光滑微通道內幾乎相同。由圖6還可知，在二次通道結構基礎上再增加肋結構會使流體進出口壓降顯著增加。這是因為，對于帶肋復合微通道，肋結構改變了流體的主流方向，使得流體受到劇烈擾動，損失了較多的能量。同時，流道結構具有周期性，流體在流道中受到周期性擾動，進一步加劇了能量損失。此外，部分流體受肋結構擾動后流入二次通道內，造成了流體的分流，導致通流面積增大，從而降低了主通道內的流動速度（相對于兩種參考微通道）。為了維持與兩種參考微通道整體上相同水平的流動速度，就需要增大進出口壓降。并且，當流體流出二次通道后，在二次通道出口處與主流混合，產生混合流動損失。綜合而言，相對于兩種參考微通道，帶肋復合微通道需要更大的進出口壓降以維持流道中相同Re條件下的流動。由于不同的肋結構對微通道內流體流動特性的擾動程度不同，所以不同帶肋復合微通道內的壓降特性存在較大差異。對于本文研究的6種帶肋復合微通道，其進出口壓降相比于兩種參考微通道增大了3～10倍。

在帶肋復合微通道中，后三角肋復合微通道的壓降最大，橢圓肋復合微通道的壓降最小；隨著雷諾數的增加，各帶肋復合微通道的壓降梯度是在增大的。這是因為，雷諾數增加意味著流體進口速度（流量）增加，當高流速流體流過肋結構時，肋對流體的擾動影響變得更加劇烈，單位流量流體損失了更多的能量，使得維持流動所需的壓降在梯度上是增大的。綜上所述，肋結構通過自身形狀對流體造成不同程度的擾動，進而對其壓降特性產生顯著影響。

2.1.2"漩渦結構

當雷諾數Re為227.66時，不同微通道流道中心位置的速度流線圖如圖7所示。從圖中可以觀察到，流體受到不同肋結構擾動后的速度變化和漩渦結構及分布。從圖7（b）可知，在無肋二次通道微通道中，流入二次通道的流體速度很低，主流通道內流體的動壓大于二次通道內流體的動壓，因此在二次通道入口處產生了較大的漩渦，阻礙新流體流入二次通道。此外，漩渦使流體損失了大量動能，流速進一步降低，部分熱流體難以流出二次通道，二次通道的強化傳熱能力因此被抑制。

對于帶肋復合微通道，由于肋對流體的擾動作用，流體在流經肋結構時，通常會在肋的后方形成漩渦，如圖7（c）～（h）所示。一方面，漩渦能夠攪動周圍的流體，使冷熱流體充分混合，抑制了邊界層的生成，有利于流體與固體壁面間的換熱；另一方面，肋結構和漩渦的共同作用會使主流通道內的流體產生節流效應，造成部分能量損失，使得流體流經肋結構后壓力大幅降低，為維持其在流道內的正常流動，需要更大的進出口流體壓降。

肋結構雖然會導致漩渦的產生，但對二次通道換熱能力的釋放也有至關重要的作用。從圖7中可以看出，除矩形肋復合微通道外，其余復合微通道的二次通道內的漩渦均有不同程度的削弱。這是因為，肋結構使流體在主通道與二次通道分界處形成高流速，并且引導部分流體進入到二次通道內，削弱了流體的回流，熱流體得以流出，增強了流體與壁面的對流換熱。其中，菱形肋復合微通道和前三角肋復合微通道的二次通道內的漩渦尺寸最小；且相比于菱形肋復合微通道，前三角肋復合微通道在主流區產生的漩渦也較小。綜合而言，對于所研究的6種帶肋復合微通道結構，前三角肋復合微通道具有最優的漩渦結構。

2.1.3"摩擦特性

微通道的摩擦特性是通過相對摩擦系數f/f0這個參數體現的，f0為矩形光滑微通道的表面摩擦系數，f為其他微通道的表面摩擦系數。圖8給出了不同微通道的相對摩擦系數f/f0隨雷諾數Re的變化曲線。

由圖8可知，無肋二次通道微通道的相對摩擦系數約為1，這說明增加二次通道沒有對流體的流動產生額外的阻力，與其壓降結果（圖6）相對應。在帶肋復合微通道中，后三角肋復合微通道具有最大的相對摩擦系數，當Re從137.5變化到506.1時，其相對摩擦系數增大了114%；橢圓肋復合微通道具有最小的相對摩擦系數，當Re從137.5變化到506.1時，其相對摩擦系數增大了53%。

2.2"傳熱特性

2.2.1"不同雷諾數下微通道的基底溫度

基底是微通道換熱器接受熱流的底面，它的平均溫度直接反映了微通道換熱器的換熱能力。圖9給出了不同微通道的基底溫度T隨雷諾數Re的變化曲線圖，圖10給出了各微通道的對流換熱面積。

由圖9可知，無肋二次通道微通道的基底溫度比矩形光滑微通道的基底溫度低1.5～2K，這說明增加二次通道提高了微通道的換熱能力。從圖10可以看出，無肋二次通道微通道的對流換熱面積相比于矩形光滑微通道增加了24%，因而流體能從固體壁面帶走更多的熱量，使得基底溫度降低。但是，二次通道的強化換熱能力并未得到完全釋放，對流換熱面積的大幅增加與基底溫度的小幅降低并不匹配，因此單獨使用二次通道結構對微通道換熱器傳熱性能的提升收益較小。

對于帶肋復合微通道，它們的基底溫度遠低于矩形光滑微通道或無肋二次通道微通道。其中，菱形肋復合微通道的基底溫度降低最多，為13.52K。這是因為，肋結構的引入使得流體得以充分混合，同時削薄了流動邊界層與熱邊界層，提高了流體與固體壁面之間的對流換熱系數，使得流體帶走的熱量成倍增加。此外，肋結構引導流體分流，充分發揮二次通道的強化換熱功能，使得流體能夠與固體壁面保持較高水平的換熱。通過對比可知，不同帶肋復合微通道的基底溫度雖有差距，但相差不大。這說明肋的形狀對微通道換熱器傳熱性能的增益較小，起主要作用的是肋結構對流體流動的作用機理。綜上所述，肋與二次通道復合結構可以充分發揮二者各自的功能，對微通道換熱器傳熱性能的提升具有協同作用。

不論何種微通道，當雷諾數增大時，其基底溫度都會顯著減小。這是因為，雷諾數增大時，流體速度增加，單位時間內與固體壁面進行熱量交換的流體增多，壁面被流體帶走的熱量隨之增多，二者之間的對流換熱溫差變大，同時熱流體能夠及時流出微通道。此外，肋結構對流體的擾動進一步增強，流體混合更加充分。因此，微通道的基底溫度會隨雷諾數的增大而減小。

2.2.2"不同雷諾數下微通道的相對努塞爾數

圖11給出了不同微通道的相對努塞爾數Nu/Nu0隨雷諾數Re的變化曲線圖。其中，Nu0為矩形光滑微通道的平均努塞爾數，Nu為其他微通道的平均努塞爾數。從圖11可知，無肋二次通道微通道的相對努塞爾數約為0.87，小于1，說明無肋二次通道微通道內流體與固體壁面的對流換熱系數較小。這是因為，二次通道雖然增大了流體與固體壁面間的對流換熱面積，并且帶走了更多的熱量，但是流體從單位對流面上帶走的熱量變少了。流體在主流通道內流動時，僅在二次通道入口處受到微弱擾動，部分靠近固體壁面的熱流體進入二次通道內。該部分流體流速低、溫度高，與固體壁面的對流換熱能力弱，抑制了二次通道的強化傳熱能力，最終導致無肋二次通道微通道的相對努塞爾數小于1。

對于帶肋復合微通道，其相對努塞爾數均在"1.5以上，遠大于1。其中，菱形肋復合微通道具有最高的相對努塞爾數，矩形肋復合微通道具有最低的相對努塞爾數。Re從最小變化到最大時，梯形肋復合微通道的相對努塞爾數增幅最大，為35.36%，前三角肋復合微通道的相對努塞爾數增幅最小，為21.64%。雖然肋結構與流體對流換熱很弱，但其與二次通道相互配合，促使部分流體以高流速流入二次通道，釋放了二次通道的強化傳熱能力，使得帶肋復合微通道的平均努塞爾數大幅提高。

2.3"綜合性能

2.3.1"綜合評價指標

通過上述研究可以發現，傳熱增強的同時往往會伴隨流道內壓降的增大，二者緊密聯系，因此用一個綜合評價指標η來衡量微通道流動與換熱的綜合性能，該指標定義為"［26］

綜合評價指標η越高，說明微通道的傳熱性能越優于其流動性能。圖12給出了不同微通道的綜合評價指標η隨雷諾數Re的變化曲線圖。由圖12可知，無肋二次通道微通道的η穩定在0.87左右，而帶肋復合微通道的η普遍在1.0以上，只有矩形肋復合微通道的η不到1.0，但仍遠高于無肋二次通道微通道。這再次印證了肋與二次通道的復合結構對微通道換熱性能的增強起協同作用。

前三角肋復合微通道具有最高的η值，最高可達1.31，最低為1.26，遠高于其他復合微通道。這表明其具有最優的流動與傳熱綜合性能，能夠在較小的壓降下實現較高水平的熱交換。這是因為，前三角肋對流體的引導具有優越性，其三角尖端正對流體的布局有效地改變了流體的流向，并且使得流體以損失較少能量為代價實現充分混合，這與圖6相對應（其壓降僅高于橢圓肋復合微通道）。前三角肋復合微通道還具有較優的流動特性，充分發揮了二次通道強化傳熱功能，使得流體與固體壁面的熱交換水平大幅提升，這與圖11相對應（其相對努塞爾數總是維持在較高數值，僅次于菱形肋復合微通道）。因此，通過研究綜合評價指標η，最終確定前三角肋復合微通道為綜合性能最優的微通道結構。

2.3.2"熱阻與泵功率的關系

熱阻與泵功率的關系也是衡量微通道的流動與傳熱綜合性能優劣的有效方法之一。圖13給出了不同結構微通道的對流傳熱熱阻R"th隨泵功率PP的變化圖。

從圖13（a）中可以看出，在相同泵功率的條件下，即使二次通道的換熱能力僅發揮小部分，無肋二次通道微通道的熱阻仍比矩形光滑微通道的熱阻小約0.02K·cm2·W"－1，再次體現了二次通道的優良性能。相比于帶肋復合微通道，矩形光滑微通道和無肋二次通道微通道只需要消耗少量泵功率，就可以使流體在流道內保持較高的流速，若在此基礎上再增加部分泵功率，就能實現對流換熱熱阻的大幅降低。

由圖13可知，橢圓肋復合微通道和前三角肋復合微通道具有最優的熱阻與泵功率的關系。橢圓肋復合微通道在相同流速條件下消耗泵功率較少，但熱阻較高；而前三角肋復合微通道犧牲部分泵功率換取到熱阻減小。在實際中，為了保證微電子設備的正常運行，犧牲少量泵功率以保證高換熱水平是可以接受的。此外，由圖12可知，前三角肋復合微通道的綜合性能優于橢圓肋復合微通道。因此，無論是從綜合評價指標上看，還是從熱阻與泵功率的關系上看，前三角肋復合微通道均具有最優的綜合性能。

3"結"論

本文采用數值計算方法研究了6種帶肋復合微通道的流動換熱特性，并與矩形光滑微通道及無肋二次通道微通道的流動換熱特性進行對比，分析了微肋和二次通道結構對微通道流動換熱特性的影響規律，并利用綜合評價指標η及熱阻與泵功率的關系評價了不同復合微通道的綜合性能，結論如下。

（1）引入二次通道結構對微通道內的壓降損失和相對摩擦系數沒有影響，而引入肋結構會在主流通道內產生節流效應，導致流體進出口壓降增大"3～10倍，微通道的相對摩擦系數也相應增大2.9～9.4倍。此外，二次通道內與肋結構后會產生漩渦，一方面促進了流體混合，另一方面造成了能量損失。

（2）二次通道結構具有強化換熱功能，當其與肋結構復合使用時，不僅能充分發揮二次通道的換熱潛能，而且會造成熱邊界層的周期性破壞與重塑，提高了流體與固體壁面間的換熱水平。與兩種簡單微通道相比，帶肋復合微通道的基底溫度大幅下降，最高降低13.52K；其相對努塞爾數均在1.50以上，最高可達2.31。

（3）前三角肋復合微通道具有最高的η值，最高可達1.31，最低為1.26，遠高于其它復合微通道。通過研究熱阻與泵功率的關系，發現前三角肋復合微通道具有高流速、低泵功率、低熱阻的特點。綜合而言，前三角肋復合微通道具有最優的流動與傳熱綜合性能。

參考文獻：

［1］LEE J， MUDAWAR I. Low-temperature two-phase microchannel cooling for high-heat-flux thermal management of defense electronics ［J］. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies， 2009， 32（2）： 453-465.

［2］CHENG Lixin， XIA Guodong. Flow patterns and flow pattern maps for adiabatic and diabatic gas liquid two phase flow in microchannels： fundamentals， mechanisms and applications ［J］. Experimental Thermal and Fluid Science， 2023， 148： 110988.

［3］張子濤， 吳越， 何坤， 等. 微通道內稀乳液流動沸騰換熱特性的實驗研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2023， 57（4）： 60-70.

ZHANG Zitao， WU Yue， HE Kun， et al. Experimental research on the flow boiling heat transfer characteristic of dilute emulsion in micro-channel ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（4）： 60-70.

［4］DONG Wenlin， ZHANG Xilong， LIU Bilong， et al. Research progress on passive enhanced heat transfer technology in microchannel heat sink ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2024， 220： 125001.

［5］王瑜， 劉志成. 微通道內單相及氣液兩相流動換熱數值模擬研究進展綜述［J］. 壓力容器， 2019， 36（12）： 49-58.

WANG Yu， LIU Zhicheng. Summary of research progress on numerical simulation of single-phase and liquid-gas two-phase flow heat transfer in microchannels ［J］. Pressure Vessel Technology， 2019， 36（12）： 49-58.

［6］羅煒， 賀靜， 羅兵， 等. 截面形狀對微通道流動沸騰影響的數值研究 ［J］. 西安交通大學學報， 2019， 53（11）： 101-111.

LUO Wei， HE Jing， LUO Bing， et al. Numerical study on the effect of cross-sectional shape of microchannels on flow boiling ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2019， 53（11）： 101-111.

［7］DENG Daxiang， ZENG Long， SUN Wei. A review on flow boiling enhancement and fabrication of enhanced microchannels of microchannel heat sinks ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2021， 175： 121332.

［8］ZHANG Xuelai， JI Zhe， WANG Jifen， et al. Research progress on structural optimization design of microchannel heat sinks applied to electronic devices ［J］. Applied Thermal Engineering， 2023， 235： 121294.

［9］BHANDARI P， RAWAT K S， PRAJAPATI Y K， et al. A review on design alteration in microchannel heat sink for augmented thermohydraulic performance ［J］. Ain Shams Engineering Journal， 2024， 15（2）： 102417.

［10］"XU Fayao， WU Huiying. Experimental study of water flow and heat transfer in silicon micro-pin-fin heat sinks ［J］. Journal of Heat Transfer， 2018， 140（12）： 122401.

［11］"DENG Daxiang， WAN Wei， QIN Yu， et al. Flow boiling enhancement of structured microchannels with micro pin fins ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2017， 105： 338-349.

［12］"陳啟涵. 微通道內肋陣壓降及換熱特性的數值分"析 ［D］. 北京： 華北電力大學， 2021.

［13］"HUANG Liang， LI Qingling， ZHAI Hongyan. Experimental study of heat transfer performance of a tube with different shaped pin fins ［J］. Applied Thermal Engineering， 2018， 129： 1325-1332.

［14］"CHAI Lei， XIA Guodong， WANG Huasheng. Numerical study of laminar flow and heat transfer in microchannel heat sink with offset ribs on sidewalls ［J］. Applied Thermal Engineering， 2016， 92： 32-41.

［15］"CHAI Lei， WANG Liang. Thermal-hydraulic performance of interrupted microchannel heat sinks with different rib geometries in transverse microchambers ［J］. International Journal of Thermal Sciences， 2018， 127： 201-212.

［16］"張承武， 浦龍梅， 姜桂林， 等. 不同截面形狀微肋片內流動阻力特性 ［J］. 化工學報， 2014， 65（6）： 2042-2048.

ZHANG Chengwu， PU Longmei， JIANG Guilin， et al. Resistance characteristics of micro pin fins with different cross-section shapes ［J］. CIESC Journal， 2014， 65（6）： 2042-2048.

［17］"SADIQUE H， MURTAZA Q， SAMSHER. Heat transfer augmentation in microchannel heat sink using secondary flows： a review ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2022， 194： 123063.

［18］"張道旭. 復雜內部結構的微通道熱沉流熱耦合數值模擬［D］. 南昌： 南昌大學， 2021.

［19］"UDDIN M W， SIFAT N S. Comparative study on hydraulic and thermal characteristics of minichannel heat sink with different secondary channels in parallel and counter flow directions ［J］. International Journal of Thermofluids， 2023， 17： 100296.

［20］"FAN Yan， LEE P S， JIN Liwen， et al. A simulation and experimental study of fluid flow and heat transfer on cylindrical oblique-finned heat sink ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013， 61： 62-72.

［21］"RAJA KUPPUSAMY N， SAIDUR R， GHAZALI N N N， et al. Numerical study of thermal enhancement in micro channel heat sink with secondary flow ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 78： 216-223.

［22］"BAHIRAEI M， JAMSHIDMOFID M， DAHARI M. Second law analysis of hybrid nanofluid flow in a microchannel heat sink integrated with ribs and secondary channels for utilization in miniature thermal devices ［J］. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification， 2020， 153： 107963.

［23］"SHI Xiaojun， LI Shan， MU Yingjie， et al. Geometry parameters optimization for a microchannel heat sink with secondary flow channel ［J］. International Communications in Heat and Mass Transfer， 2019， 104： 89-100.

［24］"GHANI I A， SIDIK N A C， MAMAT R， et al. Heat transfer enhancement in microchannel heat sink using hybrid technique of ribs and secondary channels ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2017， 114： 640-655.

［25］"CHAI Lei， XIA Guodong， WANG Liang， et al. Heat transfer enhancement in microchannel heat sinks with periodic expansion-constriction cross-sections ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013， 62： 741-751.

［26］"LIU Wei， LIU Zhichun， MING Tingzhen， et al. Physical quantity synergy in laminar flow field and its application in heat transfer enhancement ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2009， 52（19/20）： 4669-4672.

（編輯"劉楊"陶晴）