IJTS：肋形微通道散热器中的液-液弹状流：流体动力-热力学分析

论文信息：

Pardis Pakzadi Abnavi，Reza Kamali，Mohammad Reza Paydari.Liquid-liquid slug flow in ribbed micro-channel heat sinks: Hydrodynamic-thermal analysis. International Journal of Thermal Sciences(2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2025.110368

Part.1

研究背景

随着电子设备向高性能、小型化发展，其功率密度急剧上升，导致严重的散热问题。过高的热应力会损害设备的结构完整性与可靠性，因此，开发高效的微尺度冷却技术已成为关键挑战。传统的直微通道因其流线平行、缺乏流体混合，传热性能不佳。为提升效率，研究者们提出了主动与被动两种强化传热方法。其中，被动方法因无需外部功耗而更具应用潜力，主要包括：1) 几何结构优化，如在通道内引入肋片、空腔、凹槽等，以破坏边界层、增强流体扰动与热对流；2) 工质改进，如采用纳米流体或引入多相流。

在众多方案中，液-液两相弹状流 展现出巨大优势。与气-液流相比，液滴具有更高的热容和导热系数，能更有效地携带热量。弹状流中液滴的运动会在其内部及周围连续相中诱发内部环流和二次流，极大地促进了流体混合与径向热交换，其传热性能可比单相流提升数倍。

与此同时，大量研究已证实，在微通道中设置肋片能有效增大传热面积、扰动流场，从而显著增强传热。近年来，学者们开始探索将肋片结构与两相流相结合的协同强化传热新途径。初步研究表明，这种组合能通过肋片引起的流动分离、涡旋与两相流固有的强烈混合共同作用，实现热性能的倍增。然而，该领域的研究尚处于起步阶段，特别是关于肋片的具体形状（如半圆形、半椭圆形）及其细节设计（如圆角处理） 如何影响液-液弹状流的流动与传热特性，仍有待深入系统研究。

Part.2

研究内容

本研究采用数值模拟方法，系统探究了液-液弹状流在多种带肋微通道中的流动与传热特性。研究核心在于分析肋片形状与圆角设计对微通道水热性能的综合影响。研究首先建立了五种不同的二维轴对称微通道几何模型进行对比：

1.MCHS-S：光滑微通道，作为性能基准。

2.MCHS-CR：带半圆形肋片的微通道。

3.MCHS-ER：带半椭圆形肋片的微通道。

4.MCHS-CR-FC：带圆角的半圆形肋片微通道。

5.MCHS-ER-FC：带圆角的半椭圆形肋片微通道。

研究采用VOF方法捕捉油-水两相界面，并进行了详尽的模型验证，包括液膜厚度、弹状长度和壁温分布的对比，确保了数值方法的准确性与可靠性。研究内容主要围绕以下方面展开：

1.流场分析：详细研究了不同结构中流速、流线、涡量和压力分布的变化。结果表明，肋片的存在能有效偏转流体，在肋后和液滴周围诱发强烈的二次流与涡旋，从而增强流体混合。圆角设计能进一步强化这种涡流强度，但也会导致压降略有上升。

2.传热分析：通过对比温度场、壁温和努塞尔数，评估了各结构的传热性能。肋片通过增大传热面积和扰动流场显著提升了传热效率。而液-液弹状流的引入，通过液滴内部及间隔区的流动环流，将中心低温流体带向壁面，极大地强化了径向热交换。结合了圆角的肋片结构，因其最优的流动引导能力，实现了最低的壁温和最高的努塞尔数。

3.综合性能评价：为平衡传热增强与压降增加的矛盾，引入了性能评价准则。研究发现，所有带肋结构的PEC值均大于1，证明其综合性能优于光滑通道。其中，MCHS-ER-FC（带圆角的半椭圆肋微通道）在所有配置中表现出最优的综合性能，因其在液滴、液弹区间和肋区产生了最强的环流强度。

图1是本研究的几何基础，以二维轴对称模型直观展示了所考察的五种微通道结构。该图清晰地定义了计算域、关键尺寸与核心设计变量，为全文的对比分析确立了基准。图中最上方为光滑微通道（MCHS-S），它作为评估所有强化结构性能的参考基准。其余四种均为带肋结构，通过对比揭示了肋片形状与圆角设计的影响。具体包括：半圆形肋微通道（MCHS-CR）、半椭圆形肋微通道（MCHS-ER），以及在此基础上引入了圆角过渡的MCHS-CR-FC和MCHS-ER-FC。圆角设计的引入旨在优化尖锐角区的不良流动，是本研究的关键创新点之一。此外，图1明确了计算域的关键参数：微通道直径（D）为0.1 mm，圆角半径（r）为0.01 mm。整个通道在纵向上被划分为两个功能明确的部分：入口段（L₁ = 0.3 mm） 用于液滴的形成与流动发展，该区域设定为恒温壁面；加热段（L₂ = 5 mm） 则施加了恒定热流密度，是分析热性能的核心区域。这一划分确保了液滴在进入加热区前已充分发展，保证了模拟结果的准确性与可比性。

图2、图3、图4 共同完成了对两相流界面捕捉能力的验证。图2展示了用于验证的T型微通道几何结构，这是生成弹状流的经典装置。图3通过四个连续的时间序列，将本研究模拟得到的气泡形成过程（b）与文献[57]的实验结果（a）进行直观对比，无论是气泡的剥离、收缩还是最终的形态，模拟结果与实验观察都高度一致，证明了VOF方法在模拟微尺度两相流界面动态演变方面的有效性。图4则进一步定量化地验证了弹状流的特征尺寸——弹状长度，在不同连续相流速下的数值模拟结果与实验测量值吻合良好，误差仅为5%，从定量角度强化了模型的可信度。

图5、图6、表4 则聚焦于传热模型的验证。图5将模拟得到的壁温沿程分布与Walsh等人的实验数据进行对比，结果显示模拟不仅准确地捕捉到了由弹状流引起的壁温周期性振荡特征，其整体趋势也与实验数据高度重合，R²值达到0.89，表明模型在预测传热性能方面具有高精度。图6则针对单相流热发展区进行了验证。图6显示，在不同入口流速下，当地努塞尔数从入口的高值逐渐下降并最终稳定在热充分发展理论值4.36，这与经典传热理论完全吻合。

图7、图8致力于网格无关性验证，确保计算结果不依赖于网格数量。图7展示了在近壁区进行加密的结构化网格，这对于精确捕捉关键的液膜至关重要。图8(a)和(b)分别对比了三种不同密度网格下的速度场和温度场，结果表明中等网格（Grid B）与最密网格（Grid C）的结果差异已可忽略。

图1: 不同构型的微通道几何模型。

图2: 基于 Guo and Chen [57] 提出的设计所构建的 T型接头微通道几何结构。

图3: T型接头微通道中空气-水两相流生成的时间序列；a) Guo and Chen [57] 的实验研究；b) 本研究的数值模拟。

图4: Guo and Chen [57] 的实验研究与本研究的数值模拟之间的弹状流长度对比。

图5: Walsh 等人 [58] 的实验数据与当前数值模拟在加热微通道内的壁面温度分布对比。

图6: 不同入口流速下，从热入口段到热充分发展段的努塞尔数分布。

图7: MCHS-S 构型的结构化网格示意图。

图8: a) MCHS-ER-FC 构型沿通道高度方向的速度分布曲线 b) MCHS-ER-FC 构型沿通道轴向的温度分布曲线。

图9 以时间序列的形式生动展示了液滴在带肋通道（MCHS-CR）中的运动与变形。可以清晰看到，液滴在进入肋区时，由于流通截面的变化，其形状和长度会发生动态调整：在收缩段被拉长，在扩张段可能发生回缩。这说明了通道几何与液滴之间存在强烈的相互作用，这种变形会直接影响流场的扰动强度和传热效率。

图10和11 是理解强化传热机理的关键。图10的速度云图和矢量图显示，肋片的存在迫使主流流体转向并加速，在肋片后方形成高速区和强烈的速度梯度。特别重要的是，矢量图清晰地展示了在液滴间隔区和肋片角区形成了再循环涡流。图11的流线图则将这些涡流结构展现得更为清晰，这些二次流极大地促进了流体在径向和轴向的混合，将中心区域的冷流体“搬运”到壁面附近加热，同时将壁面的热流体带向通道中心，从而高效地削弱热边界层，这是传热强化的核心物理机制。

图12 的涡量分布图为流场的扰动强度提供了定量化的视觉证据。涡量是流体旋转趋势的度量。该图明确显示，所有带肋结构的涡量值均远高于光滑通道，而带有圆角的肋片（尤其是MCHS-ER-FC）在角区产生了最大、最强的涡旋结构。这从流体力学本质上解释了为什么圆角设计能进一步强化传热——它创造了更强烈的流体扰动。

图13和14 则转向流体动力学代价——压降的分析。图13的轴向压力曲线清晰地呈现出“锯齿状”波动，每一个波谷和波峰分别对应流体经过肋片时的加速（降压）和减速（增压）过程，同时液滴的存在也会引起额外的压力跳跃。图14综合量化了所有结构在不同流速下的总压降，结果表明，性能最优的MCHS-ER-FC也伴随着最大的压降，这体现了热工设计中经典的“效率与代价”的权衡关系。

图9: 入口流速 Ui = 0.2 m/s 时，液滴进入通道的时间序列。

图10: 入口流速 Ui = 0.35 m/s 时，不同微通道构型的速度分布与相对速度矢量。

图11: 入口流速 Ui = 0.35 m/s 时，不同微通道构型的相对流线图。

图12: 入口流速 Ui = 0.35 m/s 时，不同微通道构型的涡量分布。

图13: 入口流速 Ui = 0.35 m/s 时，不同微通道构型的轴向压力变化。

图14: 流速对各种微通道构型压降的影响。

图15 通过温度云图进行了最直观的对比。上半部单相流的结果显示，光滑通道（MCHS-S）中热流体聚集在壁面，中心区域温度较低，存在显著的温度梯度。而下半部分的两相流结果则展现出完全不同的图景：肋片和液滴的共同作用使得温度场变得极为均匀，高温区被有效地限制在极薄的近壁区域，中心流体温度显著升高，这证明了组合技术卓越的径向热混合能力。对比不同肋形，椭圆肋和带圆角的设计使得高温区域（红色）范围最小。

图16 通过展示壁面温度和努塞尔数随时间的变化，揭示了弹状流传热的瞬态脉动特性。当液滴前端（导热能力强）和尾端（混合能力强）交替经过测量点时，壁温会周期性下降，对应的Nu数则周期性峰值。该图精妙地显示，在不同几何中，这种波动的幅度和基准水平不同。MCHS-ER-FC配置下的壁温波动基准值最低，而Nu数的波动基准值最高，说明其无论在瞬态还是时均意义上都具有最佳的传热性能。

图17和18 从时均角度对整体热性能进行了定量总结。图17表明，随着流速增加，所有结构的平均壁温均下降，但带肋两相流结构的壁温远低于光滑通道。其中MCHS-ER-FC始终保持着最低的壁温。图18的时均努塞尔数曲线则给出了最直接的传热性能排名：MCHS-ER-FC > MCHS-CR-FC > MCHS-ER > MCHS-CR > MCHS-S。这定量地证实了“椭圆肋优于圆肋”以及“圆角设计能进一步提升性能”的研究结论。

图15: 入口流速 Ui = 0.35 m/s 时，不同微通道构型的温度分布。

图16: 无圆角肋与带圆角肋处，a) 壁面温度 b) 努塞尔数随时间的变化（Ui = 0.35 m/s）。

图17: 各种微通道构型的壁面温度变化。

图18: 各种微通道构型的努塞尔数变化。

图19 展示了性能评价准则（PEC） 随流速的变化。PEC是一个权衡传热增益（Nu数增加）与流体动力代价（压降增加）的无量纲指标，PEC > 1即表示综合性能优于参考基准（本例中为MCHS-S）。该图清晰地显示，所有带肋的两相流微通道其PEC均大于1，且随着流速升高，其性能优势更加明显。其中，MCHS-ER-FC的PEC曲线始终位于最上方，这从工程优化的角度最终确立了其作为最佳设计方案的地位。它表明，该设计所带来的传热提升效益，足以抵消其增加的压降代价，实现了综合性能的最优化，为微通道散热器的设计提供了明确的指导方向。

图19: 不同微通道构型的性能评价准则变化。

Part.3

研究总结

本研究针对微电子器件的高效散热需求，对液-液弹状流在多种新型肋形微通道中的流动与传热特性进行了深入的数值模拟分析。研究旨在探索通过结合被动式肋片强化与两相流技术来协同提升微通道散热器的综合性能。研究建立了五种不同的二维轴对称微通道模型进行对比：光滑通道（MCHS-S）、半圆形肋通道（MCHS-CR）、半椭圆形肋通道（MCHS-ER）以及对应的带圆角变体（MCHS-CR-FC, MCHS-ER-FC）。采用VOF方法捕捉油-水两相界面，并通过与经典实验数据和经验公式的对比，充分验证了数值模型的准确性。

研究结果表明，肋片结构与液-液弹状流的结合能产生显著的协同强化效应。肋片通过周期性地改变流道截面，有效偏转主流，在肋后产生二次流与涡旋，从而破坏热边界层并增强流体混合。而弹状流中的液滴运动则在其内部和液弹间隔区诱导出强烈的内部环流，将中心低温流体持续输运至高温壁面，极大地强化了径向热交换。

不同构型的优劣之分，关键在于几何层面的设计巧思：

1.肋形影响：半椭圆形肋片因其更平缓的流线型轮廓，比半圆形肋片能产生更强的流动扰动和涡量，从而获得更优的传热性能。

2.圆角效应：在肋片角落引入圆角设计，能进一步优化流动结构，增强角区的涡流强度并减小流动死区，从而在仅略微增加压降的前提下，显著提升传热。

性能评估显示，所有带肋的两相流构型其努塞尔数均远高于光滑通道，但压降也随之增加。通过性能评价准则（PEC）进行权衡分析发现，带圆角的半椭圆肋微通道（MCHS-ER-FC）表现出最优的综合性能，其PEC值最高，努塞尔数相比基准案例提升达24%至30%。这归因于该构型在液滴、液弹区间和肋区共同创造了最强的流动环流与热混合。

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