东南大学许波IJHMT：基于拓扑优化的液冷微通道散热

论文信息：

Yechao Qin, Luyi Li b, Yu Zhao, Zhenqian Chen , Xin Wang, Bo Xu,Experimental and numerical investigation of liquid-cooled microchannel heat sink by topology optimization for uniform heat source，International Journal of Heat and Mass Transfer， 256 127932，(2026)

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.127932

Part.1

研究背景

在电子设备内部集成度持续提升的当下，散热问题已成为制约其进一步发展的关键瓶颈。传统的风冷技术对于高热流密度电子元件的散热需求已难以满足，而目前广泛应用的冷却方式中，相变冷却虽借助汽化潜热，但本质上受限于热流密度，相比之下，单相液冷微通道散热器凭借结构简单稳定、传热效率高且成本效益好的优势，得到了广泛应用。

微通道散热器内部的流道设计对其热性能有着显著影响。传统微通道结构在应对电子设备日益增长的热管理需求时逐渐力不从心，仅通过参数优化无法从根本上提升微通道的散热效率，因此，研究人员开始致力于微通道内部流道结构的优化。此前，研究人员已对树形、波浪形、蜂窝形等多种微通道结构进行了探索优化，也有学者提出了仿生微通道结构。然而，这些结构在散热性能与流动特性的平衡上仍存在提升空间。

Part.2

研究内容

实验搭建了封闭的流体循环模块（图 1：实验流路示意图），核心组件包括：动力与流量控制：齿轮泵提供循环动力，转子流量计（测量范围 4-40 L/h）实现流量细调，避免因流道过窄（最小dmin≤0.4mm）导致的流量不稳定。冷却与温度稳定：去离子水经测试段后，通过液 - 液板式换热器与恒温水浴联动降温；储液罐与温度控制回路协同，确保实验全程入口温度稳定在 293.15K±0.1K，消除环境温度波动对数据的干扰（所有管道做保温处理）。过滤与监测：测试段前设置 400μm 过滤器，防止杂质堵塞微通道；差压变送器（测量范围 0-2000 Pa，误差 ±10 Pa）和 T 型热电偶（误差 ±0.1 K）分别监测进出口压力与温度，红外相机以 50 fps 拍摄表面温度分布，实现 “流量 - 温度 - 压力” 的全参数监测。

图1.实验流回路示意图。

测试模块（图 2）采用 “盖板 - 红外窗口 - 垫片 - 散热器 - 铝合金底座” 的分层设计：核心材料：散热器选用紫铜（高导热率），尺寸为30×24×4mm；底座为 6061 铝合金，中心钻孔插入 8 支 T 型热电偶（对称分布于 X-Z 平面，距散热器上缘 5 mm），精准测量底座平均温度Tavg。密封与加热：2.5 mm 厚橡胶垫片防止流体泄漏，铝盖板通过螺丝固定；外部采用 230W 陶瓷加热垫供热，外包保温棉减少热损失，模拟电子设备的均匀热源环境（热流密度q''=30W/cm²）。

图2.测试模块的示意图。

拓扑优化基于变密度插值法（SIMP），设计Ω域简化为二维方形区域，图 3 (a) 显示 “流道层 - 热源层” 的双层结构，流体从流道层入口进入，吸收热源层热量后从出口流出；图 3 (b) 为简化的 2D 设计域。通过调整权重因子w（10-100），由图4观察到w增大时流道分支增多，但过细分支会导致流动阻力激增；结合可制造性（最小流道宽度 > 0.4 mm），最终选定φ=0.5，并设计三种权重因子的拓扑结构：TO-U-20（w=20）、TO-U-50（w=50）、TO-U-70（w=70）。

图3.物理模型 （a） MCHS 物理模型;（b） TO 和热源边界条件的Ω。

图4.体积分数φ随加权系数 w (a) 的变化T平均作为 w 的函数，(b)ΔP 作为 w 的函数。

为了验证所设计流道在散热性能方面的优势，本文与3种常用模型进行了比较。图6显示了常用MCHS模型的尺寸参数。第一个MCHS是传统的线性结构（图5（d）），第二种是模仿叶片中发现的主脉和次级侧脉的结构（图5（e）），而另一种则具有蜘蛛网结构（图5（f））。

图5.实验模块的物理模型。

图6.三种常用 MCHS 的尺寸。（a）线性微通道，（b）侧静脉微通道，(c)蜘蛛网微通道。

采用自由四面体网格，在流固界面进行边界层细化（图 7：拓扑优化微通道网格划分图），确保流体 - 固体耦合仿真的精度。图8示出了TO-U-50实验模块表面的红外温度分布和相应的仿真模型，q''=25 W/cm²，Re=935，而入口和出口之间的温差（ΔT）如图9所示.根据温度对比结果，实验模型和数值模型在散热器表面观察到的温度分布相似，ΔT的误差 <为5%，验证了计算模型的精度。< pan>

图7.TO 生成的 MCHS 网格分区。

图8.在热流密度q'' = 25 W/cm²、雷诺数Re = 935的条件下，所提出的 TO-U-50 微通道上表面温度分布：左侧列为数值模拟结果，右侧列为实验结果。

图9.关于入口和出口之间 ΔT 变化的实验和数值结果。

进行热性能分析，平均温度变化由图 10：Tavg随Re变化图，可以看出在q''=30W/cm²下，所有结构的Tavg随Re增大而降低，但拓扑优化结构优势显著。当Re=230时，TO-U-50 的Tavg=324.09K，比传统线性结构（326.88 K）低 2.79 K，比侧脉状结构（332.23 K）低 8.14 K，且降温幅度在Re>1100后更明显（5-13 K）。

图10.热通量 q''=30W/cm²时的平均温度与 Re 的函数。

温度均匀性，由图 11：Tδ随Re变化图，可以看出温度标准差Tδ越小，温度均匀性越好。TO-U-50 的Tδ始终最低（<5 K），而 TO-U-70 因分支过细导致局部涡流，Tδ比 TO-U-50 高 1.5-2 K；图 12（六种微通道表面温度分布图）进一步验证：TO-U-50 表面温度梯度平缓（315-325 K），而侧脉状结构低温区集中在出口（图 12 (e)），蜘蛛网状结构整体温度偏高（图 12 (c)）。

图11.热通量q''=30W/cm²时Re的温度标准偏差与 Re 的函数关系。

图12.在热流密度q''=30W/cm²、雷诺数Re = 935的条件下，所提出的六种对比微通道散热器(MCHS)上表面温度分布的实验结果：(a)线性微通道、(b)TO-U-70 微通道、(c)蜘蛛网状微通道、(d)TO-U-50 微通道、(e)侧脉状微通道、(f)TO-U-20 微通道。

流动特性分析，流场分布（图 13：Re=935时流场速度分布图）：拓扑优化结构的流场更均匀：TO-U-50（图 13 (d)）的高流速区（>0.2 m/s）覆盖流道中心与分支，且无明显流速突变；而线性结构（图 13 (a)）高流速区集中在中心主通道，侧脉状结构（图 13 (e)）出口流速过高（>0.6 m/s）但覆盖范围小，导致流体未充分换热即流出。压力降变化（图 14：ΔP随Re变化图）：ΔP随Re增大而单调递增，但 TO-U-50 的ΔP显著低于其他结构。当Re=2300时，TO-U-50 的ΔP=1186Pa，比 TO-U-70（1959 Pa）低 39.5%，比侧脉状结构（2800 Pa）低 57.6%，证明其在低流动阻力下实现高效散热。涡流影响（图 15：TO-U-50 速度流线图）：低Re（30）时，流体在分支处均匀分流（图 15 (a)）；高Re（925）时，分支处出现涡流（图 15 (b)），涡流区流速降低 50%，导致局部换热效率下降，这也是Re>1400后Tavg降温幅度减小的核心原因。

图13.Re = 935(x-y 平面，z = 0.3 mm)处 MCHS 中的流速分布。(a)线性微通道，(b)TO-U-70微通道，(c)蜘蛛网微通道，(d)TO-U-50微通道，(e)侧静脉微通道，以及(f）TO-U-20微通道。

图14.Tan 等人研究中 MCHS 的流速分布。

图14a.q''= 30W/cm²时Re的压降与Re的函数关系。

图 15.当 TO-U-50 微通道上的 Re = 30 和 Re = 925 时，速度会流线。

综合性能评估采用(h/h0)/(ΔP/ΔP0)1/3作为综合性能指标（h0、ΔP0为传统线性结构参数）。图 16 显示，在Re=500-2300范围内，TO-U-50 的综合性能始终最优，比 TO-U-70 提升 3.7%-16.2%，比传统仿生结构（蜘蛛网状、侧脉状）提升 10%-25%，验证了其在 “散热 - 阻力” 平衡上的最优性。

图 16.基于线性的MCHS综合性能对比分析。

Part.4

总结与展望

本文介绍了一种基于拓扑优化（TO）设计方法的二维方形流道结构设计，以提高微通道散热器（MCHS）的散热效率和流动稳定性，并对此进行了实验研究。根据实验结果，TO生成的MCHS在散热和流动特性方面均表现出优越的性能。该结构能够实现冷却剂分布均匀，其可变截面流路通过局部增加密度或宽度的通道来适应热负荷。这种设计方法显着提高了散热效率，同时有效缓解了压降的大幅增加。此外，其冗余路径设计通过互连备用流路来防止局部路径堵塞故障，并采用的集成加工工艺保证了结构机械强度。基于拓扑优化的创新设计方法已从结构力学迅速扩展到流体流动、热管理和声学等前沿领域。该方法的核心是采用算法来智能识别预定义设计空间内的最佳材料分布，从而接近理论性能极限。然而，将这些强大的设计能力转化为实际制造应用仍然是一个关键挑战。本研究提供了有价值的设计理念和经验数据，以支持高效、可靠和易于制造的 MCHS 的发展，这些 MCHS 适用于广泛的领域，特别是在电子设备和航空航天热管理系统的冷却方面。

Experimental and numerical investigation of liquid-cooled microchannel heat sink by topology optimization for uniform heat source.pdf

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