橫斷擾流與肋槽組合微通道熱沉傳熱特性研究

摘" 要：對傳統微通道熱沉進行改良，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域布置平滑過渡結構以減小壓降，在翅片四等分點處布置奇對稱肋柱凹槽組合結構，在橫斷區布置水滴形肋柱，并將新型熱沉和傳統熱沉進行對比。對比結果表明，在研究的雷諾數范圍內，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h提高幅度約為120%～122%，努塞爾數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行優化，對比結果表明，熱沉綜合性能評價因子PEC大致呈現攻角15°＞0°＞30°的現象。

關鍵詞：橫斷擾流；水滴形肋柱；射流沖擊；攻角；數值模擬

中圖分類號：TK124" " " 文獻標志碼：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

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

微通道熱沉的傳熱性能和均溫性受微通道和擾流結構布局、形狀等多方面因素的影響。Pandey等[1]通過實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，但會導致更大的壓降結論。Bhandari等[2]對不同形狀擾流肋柱、尖端間隙和針翅孔隙率進行對比優化。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行探究。Ismail等[4]利用遺傳優化算法對錐形銷翅片的幾何參數進行優化，以提高換熱性能和獲得更低的壓力損失。Fattahi等[5]探究并優化了彎曲形狀翅片的流動傳熱性能。

橫斷擾流結構微通道是一種新型微通道，它的基本構型是將傳統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]的研究結果表明橫斷擾流微通道中擾流元尾渦會導致橫斷區熱量積聚，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行流動和傳熱的數值分析，得到水滴形肋柱和凹槽的流線型結構可以有效減小壓降，避免尾渦滯止區的形成。

Bejan[9]提出了構形定律，本研究基于構形定律設計微通道熱沉，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構以減小壓降和能量損耗，從而使得熱沉的綜合散熱性能達到最優。本文將水滴形擾流元應用在橫斷擾流結構中以緩解在橫斷區的散熱惡化問題，并且添加底部帶有圓角的三棱柱分流肋、擴張型噴孔和分段翅片尖角結構以構造平滑過渡，從而盡可能地減小傳統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通道有利于改善熱沉均溫性，因此在設計新型熱沉時采取擾流結構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射流沖擊冷卻微通道熱沉進行性能參數對比，印證新型熱沉的可靠性，在新型熱沉設計可靠的基礎上，應用構形定律對橫斷區水滴形肋柱的攻角進行優化，以進一步提升新型熱沉的綜合性能。

1" 數學模型建立

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。熱源設置在熱沉基體的下方，熱沉基體由30個結構相同、平行排列、等間距布置的矩形微通道散熱結構單元組成。如圖1（b）所示，為便于數值模擬，取一個結構單元進行分析。結構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設置底部倒有圓角的三棱柱分流肋，其側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置尖角結構，橫斷區軸向長度為0.45 mm。橫斷區設置水滴形肋柱，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個翅片四等分點設置奇對稱肋柱凹槽組合結構，直角三角形肋柱斜邊與凹槽通道軸向中心重合。蓋板軸向中心設置矩形擴張型噴孔，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，矩形微通道散熱結構單元底面尺寸18.4 mm×0.2 mm。熱沉各部分的詳細參數見表1。

1.2" 數值方法和邊界條件

采用ANSYS Fluent軟件對熱沉進行數值模擬，數值模擬采用標準k-ε模型。熱沉基體材料選取銅，冷卻介質選取去離子水。根據冷卻流體在熱沉中的流動及換熱特點，設置邊界條件，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0 Pa，將流體和固體的接觸面設置為耦合壁面。橫斷區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置為0°（Case2）、15°（Case3）、30°（Case4）的工況下取一個矩形微通道散熱結構單元進行實例分析。

1.3" 網格有效性驗證

由于熱沉基體結構較為復雜，因此采用非結構網格。網格數量會影響數值模擬的精確度，一般來說，網格越密結果越精確，但過密的網格會消耗大量的計算時間成本。因此對微通道散熱結構單元進行網格無關性檢驗。通過對比得到，當網格數量分別為18萬和36.5萬時，熱沉底面平均溫度的相對誤差為0.15%，說明當網格數量大約為18萬時，即可滿足精度的要求。1.4" 數據處理方法

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，Cp為冷卻介質的定壓比熱容，G為質量流率，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，Dh為微通道水力直徑，λ為冷卻介質的熱導率

式中：f為達西摩擦因子，Δp為壓降，ρ為冷卻介質密度，Uin為冷卻介質入口速度，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，Nu0為傳統熱沉努塞爾數，f為新型熱沉達西摩擦因子，f0為傳統熱沉達西摩擦因子。

2 結構設計與參數研究

2.1 新型熱沉流動傳熱參數分析

如圖4 （a）、（b）、（c）、（d）所示，Case2在各個傳熱性能參數方面均有提高，在本文研究的雷諾數范圍內，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h提高幅度為120%～122%，努塞爾數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在不同雷諾數下PEC值均大于1，熱沉綜合性能提升明顯。

導致Case2的努塞爾數優于Case1的原因在于Case1雖然在射流沖擊區域由于較快的流速使得表面局部努塞爾數增大，但在出口端會因為熱邊界層的發展使得表面局部努塞爾數較小，即換熱效果惡化，而Case2由于添加了擾流結構可以打破熱邊界層的發展，表面局部努塞爾數分布較為均勻，在出口端不會出現較大低努塞爾數區域，因此總的努塞爾數較高。

此外，Case2的綜合性能也優于Case1，這是因為合理的布置擾流結構及平滑過渡結構的添加使得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，因此彌補了流動性能的不足。

2.2 新型熱沉結構對比優化

如圖5 （a）、（b）、（c）、（d）所示，在本文研究的雷諾數范圍內，Case3和Case4的傳熱參數大小幾乎相同，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h降低幅度為3.20%～3.75%，努塞爾數Nu降低幅度為3.19%～3.74%，熱阻R提高幅度為3.31%～3.95%。

由以上數據可得，水滴形肋柱取不同攻角時熱沉的性能參數有所不同。水滴形肋柱有攻角時熱沉底面溫度、熱阻、對流換熱系數和努塞爾數均大于零攻角時相對應的參數，這是由水滴形肋柱在有攻角時迎流橫截面積增大導致對冷卻介質的擾動增大，從而對熱邊界層的削弱作用增強導致的。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了對熱邊界層的擾動，但是同時也不利于冷卻介質在橫斷區的流動，這會導致熱量不能及時地被流體帶出橫斷區，2種作用效果相互抵消導致這種現象。由圖5（e）可知，摩擦因子呈現Case4＞Case3＞Case2的現象，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域面積也會增大，從而使壓降增大，即肋柱對冷卻介質的阻礙作用增強。由于當攻角超過15°時，冷卻介質流動阻力增長較快但換熱效果提升不大，基于上述性能指標綜合考慮，如圖5（f）所示，熱沉綜合性能評價因子呈現Case3＞Case2＞Case4的現象，因此Case3綜合性能最優。

2.3" 微通道熱沉流動傳熱性能可視化分析

導致不同案例流動傳熱性能參數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，因此對傳統熱沉和新型熱沉進行流動傳熱可視化分析。

如圖6 （a）所示，傳統射流沖擊冷卻熱沉會在入口的兩側形成較大的渦流，這雖然有利于打破熱邊界層增強散熱，但由于冷卻介質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，反而會產生較大的局部流動損失，不利于冷卻介質的流動。同時，冷卻介質無法平滑地由徑向速度轉變為軸向速度，從而進一步增大壓降。如圖6 （b）所示，新型熱沉的擴張型噴口有助于增加冷卻介質的軸向速度分量，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，從而減小壓降。

如圖7所示，由于微通道的突擴，冷卻介質在分段翅片的背流端形成穩定的尾渦，尾渦可以通過削減熱邊界層厚度，阻滯熱邊界層發展從而改善換熱。由于分段翅片迎流端的尖角結構可以在橫斷區和下一級通道之間構造平滑過渡，因此避免了流體垂直沖擊翅片迎流端產生較大壓降。在Case2中水滴形肋柱由于迎流面積較小，對冷卻介質的擾動加速作用不明顯。在Case3中水滴形肋柱對冷卻介質的擾動加速作用增強，鈍端附近流體速度增加，迎流面積增大，對流換熱效應提升。在Case4中水滴形肋柱對流體的擾動進一步增強，但會在背流區形成流動滯止區，使得冷卻介質在橫斷區對流換熱效應提升效果不明顯。

如圖8所示，為增強新型微通道熱沉在分段翅片區域內的換熱效果，在分段翅片四等分點處設置奇對稱肋柱凹槽組合結構，其在沒有凹槽的一端相當于一段突縮通道，通過增加冷卻介質流動速度增大換熱能力，在有凹槽的一端相當于漸縮通道和漸擴通道的組合，通過冷卻介質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構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。

表面局部努塞爾數是衡量微通道熱沉換熱效果的重要指標之一，表面局部努塞爾數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行傳熱。由于擾流結構的添加使得微通道內的流場發生變化，進而導致表面局部努塞爾數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在上述區域增大。在相同位置Case3橫斷區域水滴形肋柱的表面努塞爾數比Case2高2 000左右，且在迎流端存在較大面積的高努塞爾數區域，即換熱效果優于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，對流換熱效應最強，其表面努塞爾數明顯大于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行對比。如圖10（a）所示，Case1雖然在入口端的冷卻效果強，但在出口端由于缺乏擾流結構，使得溫度急劇上升，這會導致較大的熱應力，不利于微電子器件的散熱。如圖10（b）所示，由于合理的擾流結構的添加，Case3熱沉底面溫度較低，且均溫性得到顯著提高，這有利于減小熱應力，且有效地提高熱沉的散熱性能。

3" 結束語

本文提出了一種基于橫斷擾流和肋柱凹槽組合設計的射流沖擊冷卻微通道熱沉，采用數值模擬方法對比了新型熱沉與傳統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行優化。結果表明：

1）與傳統熱沉相比，新型熱沉在傳熱性能參數方面均有提高，在本文研究的雷諾數范圍內，熱沉底面平均溫度Tave降低幅度約為17～26 K，對流換熱系數h提高幅度約為120%～122%，努塞爾數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于傳統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解。當水滴形肋柱攻角取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形成較大的流動滯止區，使冷卻介質在橫斷區的流動性變差，散熱效果沒有提升。

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