ICHMT: 交錯針肋和槽肋通道微通道內流體流動與傳熱特性的數值模擬

論文信息：

Li Lv, Haoxin Zhuang, Lijuan Qian, Numerical simulation of fluid flow and heat transfer characteristics in microchannels with staggered needle fins and groove rib channels, International Communications in Heat and Mass Transfer 176 (2026) 111268

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.111268

Part.1

研究背景

微電子器件集成度與功耗的激增使高熱流密度和溫度不均勻性成為制約其可靠性的關鍵瓶頸，據統計，元件結溫每升高10–20℃，失效率便會倍增。傳統矩形微通道熱沉在層流狀態下因熱邊界層沿程持續增厚，換熱性能受限；若單純提高流速或縮減通道尺寸來強化傳熱，又會導致泵功急劇上升。現有單一強化結構如針肋、凹槽等，雖可通過誘導二次流、周期性地破壞邊界層來增強流體摻混，但仍面臨傳熱強化與壓降懲罰之間的嚴重折衷，難以兼顧高效散熱與優良流動特性。因此，探索新型復合結構以協同調控熱-流特性，突破上述性能權衡，成為高熱流電子器件熱管理領域亟需解決的難題。

Part.2

研究內容

研究首先提出了一種集成上游交錯針肋與下游溝槽截斷肋的復合微通道結構。上游采用交錯排列的水滴形針肋作為渦流發生器，通過針肋尖端對流體的持續擾動，周期性地中斷熱邊界層的發展，強化入口效應并提升局部換熱能力。下游則設置了帶有扇形凹槽的水滴形截斷肋，利用溝槽誘導二次流、促進邊界層重新發展，在進一步增強換熱的同時，借助凹槽的流動滑移效應、渦旋“滾動軸承”效應以及流通截面積擴大帶來的局部流速降低，有效抑制了壓降的急劇攀升。這種分段式優化設計實現了流動發展與傳熱強化之間的協同，從幾何層面調和了換熱與阻力之間的矛盾。

圖1. (a) 案例的配置 (b) 帶有交錯針肋和切槽肋的微通道(MCHS-SNFGCR)，(c) 俯視圖主要參數，(d) 流體出口結構圖。

圖2. (MCHS-SNFGCR)的俯視圖和正視圖。

圖3. 微通道模型:(a) 光滑矩形微通道，(b) 全扇形槽 - 水滴肋微通道，(c)無扇形槽復合微通道，(d) 交錯針翅和槽肋微通道。

基于此結構，研究利用Fluent等有限元分析軟件建立了三維共軛傳熱數值模型。模型以銅為固體材料，去離子水為冷卻工質，假設流動為穩態層流、流體為不可壓縮牛頓流體。計算域底部施加均勻熱流密度邊界，涵蓋3×105W/m2和8×105W/m2兩種工況，雷諾數范圍取200至800以確保流動處于層流狀態。為兼顧計算精度與效率，采用多面體網格劃分，并在流場梯度變化劇烈的針肋、溝槽及流固耦合界面處實施局部網格加密與邊界層網格設置，通過網格無關性驗證確定370萬網格方案，并以光滑矩形微通道的Nu和達西摩擦系數f與文獻實驗數據對比，驗證了模型的可靠性。

圖4. 案例4的網格分布。

在此基礎上，系統對比了四種不同微通道構型的熱-流特性：光滑矩形微通道、全扇形溝槽-水滴形肋微通道、無扇形溝槽的復合微通道，以及所提出的交錯針肋-溝槽截斷肋復合微通道。流體流動特性分析表明，光滑通道呈現穩定的層流，主流集中于中心，熱邊界層持續增厚。單純引入溝槽肋雖使流線發生偏轉并在凹槽內形成封閉渦流，但擾動有限。而上游交錯針肋的引入顯著改變了速度場分布，流體在針肋尖端產生繞流和橫向動量輸運；當這種預擾動流體進入下游溝槽區域后，會誘發更為劇烈的二次流和主流-近壁區流體交換，持續重構熱邊界層。

圖6.速度流線。

三維流線可視化進一步證實，交錯針肋產生的擾動并非局限于上游，而是沿程影響下游流場演化，抑制了局部低速停滯區和熱積聚的形成。壓力分布與壓降分析顯示，在多數Re范圍內，得益于溝槽的組合減阻效應，所提結構的壓降和摩擦系數反而低于無溝槽的復合通道。

圖7. 在Re=800時三維空間流線可視化。

圖8. 帶有Re=80和y=1.0mm的壓力分布圖。

傳熱特性分析表明，交錯針肋與溝槽肋的協同作用在換熱強化方面具有顯著優勢。橫截面溫度云圖顯示，該結構在相同工況下固體域最高溫度僅為308K，較無溝槽復合通道低4K，較全溝槽肋通道低6K。其下游肋尾處的溫度梯度更大、熱邊界層明顯更薄，說明復合擾動可以有效阻斷壁面與流體間熱量的沿程疊加。沿流向的底部壁溫分布和最大溫差對比進一步證實，該結構不僅溫升最平緩，且整體溫差在整個測試Re范圍內始終最低，在Re=800時僅為8.216K。即便將熱流密度提升至8×105W/m2，該結構仍能保持較低的壁溫水平和較為緩和的軸向溫升速率，展現出優異的溫度調控潛力。

圖10. 四個微通道在Re=800和y=1.0mm時的橫截面溫度云圖。

圖11. 四種結構在Re=800和z=0mm時的側面溫度云圖。

圖15. 在 Re=800 和 q=8×105W/m2條件下四個微通道底部的溫度分布。

對于綜合性能評估，研究引入努塞爾數Nu、達西摩擦系數f、性能評價準則PEC和泵功等指標。所提出的結構在所有構型中Nu增長率最高，在Re=800時較無溝槽復合通道、全溝槽肋通道和光滑通道分別提升13.8%、56.8%和161%。盡管復合擾動結構增大了流動阻力，但得益于凹槽的減阻效應，其f值在多數工況下低于無溝槽復合通道。PEC值達1.6346–1.6611，顯著高于其他構型，且所有增強結構的PEC均大于1，表明強化換熱的收益始終大于壓降懲罰的代價。在相同泵功約束下，該結構的平均Nu仍遠超對照構型，進一步證明了其高效的能量利用特性。

圖16. (a) 雷諾數與Nu(b) 雷諾數與f(c) 雷諾數與Nu/Nu0(d) 雷諾數與 f/f0。

圖13. (a) ε-dp在 M_c=02 時的熵產生回歸曲線，(b) ε-Mc在dp=08時的熵產生回歸曲線，以及(c) Mc-dp在ε=0.7時的熵產生回歸曲線。

圖17. (a) 泵功率與努塞爾數(b) 努塞爾數雷諾數與PEC。

最后，針對上游針肋的橫向間距開展了參數化優化。構建了四種間距的模型，在相同入口速度條件下分析其熱-水力學性能。結果表明，間距對壓降和摩擦系數的影響在高流速下更為顯著，存在使PEC最大化的最優間距。在較低流速時不同間距的PEC差異不顯著，但隨著流速升高，較小間距的優勢愈加突出。綜合考慮，確定0.15mm為最優橫向間距。在此間距下，熱沉能夠維持較低的底部壁溫，并在入口速度為1.0m/s時，PEC相較0.45mm間距提升了3.1%。

圖 18. 四種具有不同橫向間距的交錯針肋。

圖20. 具有不同上游針肋橫向間距的微通道底部壁面溫度分布。

Part.3

研究總結

綜上所述，本研究提出了一種集成上游交錯水滴形針肋與下游溝槽截斷肋的新型復合微通道熱沉，通過數值模擬系統評估了其熱-水力學性能。結果表明，該結構利用針肋繞流與凹槽二次流的協同效應持續重構熱邊界層，相比單一強化結構顯著提升了換熱效率與底部溫度均勻性，同時溝槽的“流體滾動軸承”等減阻效應有效抑制了壓降懲罰，PEC最高達1.662。在更高熱流密度下該結構仍展現出優異的溫控能力，證實其在平衡強化傳熱與流阻矛盾方面的顯著優勢。

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