IJHMT：雙向肋微通道散熱器的傳熱強化

論文信息：

Guilian Wang , Nan Qian , Guifu Ding,Heat transfer enhancement in microchannel heat sink with bidirectional rib.International Journal of Heat and Mass Transfer 136 (2019) 597–609

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.02.018

Part.1

研究背景

電子設備朝著小型化和高速化的方向不斷發展，這使得其功率密度大幅提升，進而導致電子設備產生大量熱量。盡管微通道散熱器本身已具備較高的熱性能，但隨著電子設備對散熱需求的不斷提高，研究人員仍在探索進一步強化傳熱的技術，如采用納米流體、增大傳熱面積以及促使熱邊界層重新發展等。肋片，也被稱為粗糙元或擾流件，因其在強化傳熱方面效果顯著，已得到廣泛的研究和應用。盡管采用肋片可以增強微通道散熱器的熱性能，但由于流動擾動大以及流動阻塞效應，也會導致壓降升高。此外，還有大量研究聚焦于肋片的橫截面形狀對微通道散熱器熱工水力性能的影響。垂直肋和展向肋均能通過擾動熱邊界層和引發回流來促進冷熱流體混合，從而改善傳熱特性。然而，它們所擾動的熱邊界層和引發的回流僅局限于垂直或展向單一方向，這使得垂直肋和展向肋對傳熱的強化作用受到限制，無法充分提升微通道散熱器的傳熱能力。為此，本文提出了一種新型的雙向肋，它由垂直肋和展向肋組合而成，能夠在垂直和展向兩個方向上同時破壞熱邊界層并引發回流，進而進一步強化傳熱效果。

Part.2

研究內容

新型雙向肋微通道散熱器由兩部分組成，如圖 1（a）所示：一部分是帶有垂直肋粗糙化微通道的蓋板；另一部分是帶有展向肋粗糙化微通道的基板。

圖 1 為雙向肋微通道散熱器的結構示意圖（a）以及雙向肋的幾何結構示意圖（b），其中標注了蓋板、出口、展向肋、垂直肋寬度、垂直肋、垂直肋高度、入口、展向肋高度、展向肋寬度、垂直肋長度、展向肋數量、展向肋長度和基板等結構。

由于所設計的微通道散熱器為周期性結構，為了體現其流動和傳熱特性，僅選取單分支微通道作為計算域，如圖 2所示。

圖 2 展示了三種不同肋片結構的單分支微通道示意圖，（a）為帶有雙向肋的微通道，（b）為帶有垂直肋的微通道，（c）為帶有展向肋的微通道，圖中還標注了熱源位置。

本研究采用商業軟件 Fluent 對不同肋片結構的固 - 液耦合傳熱過程進行模擬，該軟件能夠為評估傳熱和流動特性提供便捷且精確的方法。為確保模擬結果的高精度，所有模型均采用 ANSYS ICEM CFD 14.5 生成六面體網格，如圖 3 所示。

圖 3 為雙向肋處帶肋通道的結構化網格示意圖，展示了雙向肋附近的詳細網格分布情況。

采用微加工技術制作所設計的雙向肋微通道散熱器，其主要工藝流程如圖 4 所示。為對比雙向肋對流體流動和傳熱的影響，采用相同的幾何尺寸和制作工藝制作了另外兩種分別帶有垂直肋和展向肋的微通道散熱器。

圖 4 為雙向肋微通道散熱器的主要制作工藝流程示意圖，清晰展示了從基板和蓋板的初始加工到最終集成結構的形成過程，涉及硅、二氧化硅、光刻膠、鉻 / 銅、錫、鎳等材料的處理步驟。

圖 5 為掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，（a）展示了帶有垂直肋的蓋板結構，（b）展示了帶有展向肋的基板結構。

設計了一套實驗裝置用于測量不同肋片結構微通道散熱器的傳熱和摩擦特性，如圖 6 所示。該裝置由 Masterflex 蠕動泵、過濾器、電子天平、兩支溫度計和壓力計、直流電源以及紅外熱像儀組成。

圖 6 為實驗裝置示意圖，清晰標示出了直流電源、壓力計、測試段、溫度計、泵、換熱器、紅外相機、過濾器、收集容器、數字電子天平和恒溫水浴等各個組件的連接關系和位置。

本實驗在雷諾數 100 至 1000 的范圍內，對所有帶肋微通道的平均努塞爾數和表觀摩擦系數進行了測量和預測，并詳細探討了不同肋片對傳熱和流動特性的影響機制。此外，還分析了垂直肋的相對肋高（eVR）和展向肋的相對肋寬（eSR）對熱工水力性能的影響。

圖 7 展示了所有帶肋微通道的平均努塞爾數隨雷諾數的變化情況。對于所有案例，模擬得到的努塞爾數與實驗測量結果吻合良好，雙向肋微通道（BR-MC）、垂直肋微通道（VR-MC）和展向肋微通道（SR-MC）的最大偏差分別為 7.1%、8% 和 9.8%。

圖 7 為所有帶肋微通道的努塞爾數隨雷諾數變化的曲線，其中包含了模擬數據和實驗數據，清晰展示了不同肋片結構微通道在不同雷諾數下的努塞爾數差異。

圖 8 展示了展向肋微通道（SR-MC）、垂直肋微通道（VR-MC）、雙向肋微通道（BR-MC）以及帶有前向三角形展向肋的微通道的努塞爾數與光滑微通道努塞爾數的比值（Nu/Nu?）隨雷諾數的變化情況（其中 Nu?為光滑微通道的努塞爾數）。

圖 8 為所有帶肋微通道的歸一化努塞爾數（Nu/Nu?）隨雷諾數變化的曲線，通過與帶有前向三角形展向肋的微通道對比，凸顯了雙向肋微通道的傳熱強化優勢。

上述結果表明，在相同雷諾數下，雙向肋能夠在微通道中實現最顯著的傳熱強化。然而，需要注意的是，較高的傳熱強化效果通常伴隨著表觀摩擦系數的增大。圖 9 展示了雙向肋微通道、展向肋微通道和垂直肋微通道的表觀摩擦系數隨雷諾數的變化情況。

圖 9 為所有帶肋微通道的表觀摩擦系數隨雷諾數變化的曲線，包含了模擬數據和實驗數據，清晰呈現了不同肋片結構微通道在不同雷諾數下的摩擦特性差異。

為深入理解三種不同結構微通道的傳熱和壓降特性的內在機制，本節展示并討論了三維微通道模型中的流線分布，如圖 10 所示。

圖 10 為雷諾數 Re=500 時，五種至七種肋片之間三種微通道結構（a）垂直肋微通道、（b）展向肋微通道、（c）雙向肋微通道的三維流線圖，清晰展示了不同肋片結構下流體的流動狀態和回流區域分布。

同時，為進一步探究流場和傳熱機制，還展示了二維橫截面的流線分布。圖 11 展示了在測試段第五和第六個肋片之間，x=0.3125 毫米處的 y-z 橫截面（左側）和 z=0.9 毫米處的 x-y 橫截面（右側）在雷諾數 Re=500 時的流線分布。顯然，垂直肋、展向肋和雙向肋的引入均在微通道中引發了回流。

圖 11 為雷諾數 Re=500 時，第五和第六個肋片之間（a）垂直肋微通道、（b）展向肋微通道、（c）雙向肋微通道在 x=0.3125 毫米處（左側）和 z=0.9 毫米處（右側）的橫截面流線圖，直觀呈現了不同肋片結構在不同橫截面處的回流分布和流場變化。

圖 12 展示了雷諾數 Re=500 時，三種帶肋微通道在第五和第六個肋片之間的中心橫截面（x=0.3125 毫米、y=5.55 毫米、z=0.9 毫米）上的詳細溫度場分布，所有案例的溫度等級相同。

圖 12 為雷諾數 Re=500 時，（a）垂直肋微通道、（b）展向肋微通道、（c）雙向肋微通道在第五和第六個肋片之間中心橫截面（x=0.3125 毫米、y=5.55 毫米、z=0.9 毫米）上的溫度場分布圖，通過不同顏色標識溫度高低，清晰展示了不同肋片結構下的溫度分布差異和回流區域對溫度場的影響。

三種帶肋微通道四個壁面上的傳熱情況通過局部努塞爾數（Nux）進行展示，如圖 13 所示。

圖 13 為雷諾數 Re=500 時，三種帶肋微通道在（a）頂壁、（b）左壁、（c）右壁和（d）底壁上的局部努塞爾數分布圖，通過不同顏色深淺標識局部努塞爾數大小，直觀反映了不同壁面和不同肋片結構下的局部傳熱特性。

根據前述結果可以得出，雙向肋微通道在傳熱性能方面顯著優于垂直肋微通道和展向肋微通道。本研究的下一步旨在分析肋片幾何參數對雙向肋微通道熱工水力性能的影響。圖 14 展示了雷諾數 Re=500 時，雙向肋微通道的努塞爾數隨 eSR 和 eVR 的變化情況。

圖 14 為雷諾數 Re=500 時，雙向肋微通道的平均努塞爾數隨展向肋相對肋寬（eSR）和垂直肋相對肋高（eVR）變化的曲線，同時標注了與展向肋微通道和垂直肋微通道的對比情況。

圖 15 展示了 eSR 和 eVR 對表觀摩擦系數的影響。可以明顯看出，在整個雷諾數范圍內，隨著 eSR 和 eVR 的增大，表觀摩擦系數持續增大。

圖 15 為雷諾數 Re=500 時，雙向肋微通道的平均摩擦系數隨展向肋相對肋寬（eSR）和垂直肋相對肋高（eVR）變化的曲線，同時體現了與展向肋微通道和垂直肋微通道的摩擦系數差異。

圖 16 展示了雷諾數 Re=500 時，雙向肋微通道的傳熱強化因子隨 eSR 和 eVR 的變化情況。隨著 eSR 和 eVR 的增大，傳熱強化因子先顯著增大后減小。

圖 16 為雷諾數 Re=500 時，雙向肋微通道的傳熱強化因子隨展向肋相對肋寬（eSR）和垂直肋相對肋高（eVR）變化的曲線，標注了最大傳熱強化因子對應的參數值以及傳熱強化因子大于 1 的參數范圍。

Part.3

研究總結

本文通過實驗與數值模擬，研究了帶雙向肋（BR）微通道散熱器的熱工水力性能并與垂直肋（VR）、展向肋（SR）微通道對比，闡明了雙向肋傳熱強化機制及相關參數影響。結果表明，相同質量流量下，雙向肋微通道的努塞爾數分別為垂直肋、展向肋微通道的 1.2-1.42 倍和 1.4-2 倍，傳熱強化效果更優，但因阻塞效應表觀摩擦系數最大；雙向肋通過在垂直和展向雙向破壞熱邊界層、引發回流實現高效傳熱，其四個壁面局部努塞爾數均最大；垂直肋相對肋高（eVR）和展向肋相對肋寬（eSR）增大可提升傳熱但會增加摩擦系數，當 eVR<0.316 且 0.026<

Wang 等 - 2019 - Heat transfer enhancement in microchannel heat sink with bidirectional rib.pdf

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