先进冷却系统中纳米流体波纹微通道散热器的热工水力性能实验与数值分析

论文信息：

Nehad Abid Allah H, Isam Mejbel Abed, Nejla Mahjoub Said. Experimental and numerical analysis of hydrothermal performance in wavy microchannel heat sink with nanofluids for advanced cooling systems. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, (2026).

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s10973-025-15186-5

PART1

研究背景

随着电子设备向高集成度、微型化方向快速发展，其工作热流密度持续攀升，传统散热方式已难以满足高效热管理需求，成为制约电子系统寿命与性能提升的核心瓶颈。微通道散热器（MCHS）凭借紧凑结构与高换热效率，成为解决高热流密度散热问题的重要方案，但传统矩形微通道散热器（RMCHS）传热效率有限，且现有研究多单独探索波纹通道或空腔结构的强化作用，缺乏复合结构与纳米流体协同作用的系统研究。同时，不同结构散热器的性能对比多缺乏相同工况下的直接验证，难以精准评估优化效果。基于此，有必要设计融合波纹壁与三角形空腔的复合结构微通道散热器，并结合纳米流体工质开展实验与数值分析，为下一代电子设备提供高效、可靠的冷却解决方案。

PART2

研究内容

图 1 展示了研究的核心微通道散热器模型。图 1 (a) 为带三角形腔体的波纹微通道散热器（WMCHS-WTC）的三维结构，其独特的波纹壁与三角形腔体组合可增强流体混合并破坏热边界层；图1(b)为传统矩形微通道散热器（RMCHS）的三维结构，作为基准模型用于性能对比；图1(c) 呈现了 WMCHS-WTC 的俯视图，清晰展示了三角形腔体的分布规律。两种模型的关键尺寸参数通过 SOLIDWORKS 2022 设计确定，为后续实验与数值分析提供了基础几何依据。

图 1. 微通道散热器结构示意图：（a）带三角形腔体的波纹微通道散热器（WMCHS-WTC）；（b）矩形微通道散热器（RMCHS）；（c）WMCHS-WTC 的俯视图（展示腔体分布）

图 2 展示了实验测试段的设计与装配情况。图 2 (a) 为测试段的各个组成部件，包括铜块、加热棒固定座、进出口集管、热电偶等关键组件；图 2 (b) 为测试段的装配视图，体现了 WMCHS-WTC 与 RMCHS 在同一测试段的集成设计，实现了相同工况下的同步对比测试。该双模型测试段通过光纤激光雕刻与 CNC 铣削工艺加工，铜质散热器保证高导热性，Acetal 材质外壳兼具高刚度与低摩擦特性，亚克力顶盖便于观察流场，为实验的准确性与可靠性提供了结构支撑。

图2. SOLIDWORKS 2022设计的测试段模型：（a）测试段单个组件；（b）铜块与外壳集成的装配视图

研究采用两步法制备Al₂O₃/H₂O纳米流体，通过磁力搅拌1小时与30kHz超声波分散2-4小时，在无需表面活性剂的情况下实现纳米颗粒的均匀稳定分散，有效避免沉降与团聚问题。纳米流体的热物理性质（密度、比热容、导热系数、粘度）基于已建立的经验关联式计算，并通过SEM与TEM表征验证了纳米颗粒的形态与分散质量。实验系统搭建了完整的流动回路，包括储液罐、微型泵、流量计、换热器、压差传感器等组件，实现了雷诺数（200-1000）、热通量（50-200W）与纳米流体体积浓度（0%-0.05%）的精确调控。

图3. 微通道测试段的制备流程：（a）Acetal材质集管与加热棒固定座的CNC铣削加工；（b）铜块上的微通道激光雕刻与加热棒安装孔钻孔；（c）测试段各部件实物图；（d）两种散热器集成的测试段装配实物图

图4. 实验流动回路示意图

图5. 实验装置正视图实物图

图6. 实验装置俯视图实物图

图7. Al₂O₃纳米颗粒的SEM表征图

图8. Al₂O₃纳米颗粒的TEM表征图

图9. 纳米流体两步法制备流程

数值模拟采用COMSOL 6.0 CFD软件，基于连续性方程、三维动量方程与能量方程求解流场与温度场，假设流动为稳态、层流、不可压缩且单相流，纳米流体视为均质流体并采用恒定热物理性质，固液界面施加无滑移边界条件。网格独立性分析表明，当采用 1,923,521 个单元的精细网格时，数值结果的误差小于1%，兼顾计算精度与效率。通过与Feng等人的研究结果对比，速度场、温度场及壁面温度分布均呈现良好一致性，验证了数值模型的可靠性。

图10. WMCHS-WTC的网格生成结果：（a）三维网格；（b）正视图网格；（c）俯视图网格

图11. 数值计算流程框图

图12. 数值模型验证（与Feng等人研究对比）：（a）速度分布；（b）温度分布（Re=663，热通量400kW・m⁻²，x/L=0.625）

图13. 局部壁面温度分布的数值验证（Re=663）

通数值模拟结果揭示了WMCHS-WTC的流动与传热特性。图14展示了Re=1000、φ=0.075%时的速度分布，波纹壁与腔体的组合使流体在腔体区域前后形成减速区，在腔体中部形成加速区，中心区域速度最大，壁面附近出现滞止区，有效增强了对流换热。压力降分析表明，随着纳米流体浓度增加，WMCHS-WTC的压力降略有上升，Re=200时浓度从0%增至0.05%的压力升为0.76kPa，Re=600时达1.2kPa。与RMCHS 相比，WMCHS-WTC因表面面积增加与流动扰动增强，压力降更高，但性能评价因子（PEF）显著更优，其中WMCHS-WTC的PEF较基准RMCHS提升89%，体现了几何结构的协同增效作用。温度分布结果显示，纳米流体浓度增加可显著降低最高温度，浓度从0.025%增至0.075%时最高温度降低5K。

图14. WMCHS-WTC在Re=1000、φ=0.075%时x-y平面（z=0.3mm）的速度分布温度点分布及热阻网络示意图

图15. Re=200时的压力分布：（a）纯水（φ=0%）；（b）Al2O3/H2O纳米流体（φ=0.05%）

图16. Re=600时的压力分布：（a）纯水（φ=0%）；（b）Al2O3/H2O纳米流体（φ=0.05%）

图17. 0.05vol% Al2O3/H2O纳米流体下，WMCHS-WTC与RMCHS的压力降随雷诺数变化关系

图18. 0.05vol% Al2O3/H2O纳米流体下，WMCHS-WTC与RMCHS的平均摩擦系数随雷诺数变化关系

图19. 0.05vol% Al2O3/H2O纳米流体下，不同微通道结构的性能评价因子（PEF）随雷诺数变化关系

图20. Re=800时，WMCHS-WTC在不同纳米流体浓度下的温度分布（x-y平面，z=0.3mm）：（a）φ=0.025%；（b）φ=0.05%；（c）φ=0.075%

实验结果验证了WMCHS-WTC的优越热性能。在不同输入功率（50W、150W、200W）下，WMCHS-WTC的平均壁温均低于RMCHS，最大降温幅度达30%（Re=1000、P=200W、φ=0.05%），且壁温随雷诺数增加与纳米流体浓度升高而降低。努塞尔数（Nu）分析表明，WMCHS-WTC的Nu最大可达12.5（Re=1000、φ=0.05%、P=200W），较RMCHS（Nu=7.5）提升66%，且Nu随热通量、雷诺数与纳米流体浓度的增加而增大。摩擦系数方面，WMCHS-WTC在0.04vol%浓度下较RMCHS高26%。热阻测试显示，WMCHS-WTC的最小热阻为0.075℃/W（Re=1000、P=200W、φ=0.04%），显著低于RMCHS的0.115℃/W。实验与数值结果的对比表明，两者趋势一致，误差在可接受范围内，验证了研究结论的可靠性。

图21. 输入功率50W时，平均壁温随雷诺数变化关系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

图22. 输入功率150W时，平均壁温随雷诺数变化关系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

图23. 输入功率200W时，平均壁温随雷诺数变化关系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

图24. 热通量50W时，平均努塞尔数随雷诺数变化关系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

图25. 热通量150W时，平均努塞尔数随雷诺数变化关系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

图26. 热通量200W时，平均努塞尔数随雷诺数变化关系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

图27. 不同体积浓度下，WMCHS-WTC与RMCHS的平均摩擦系数实验值与数值值对比

图28. 200W输入功率下，WMCHS-WTC与RMCHS的热阻随雷诺数变化关系（0.01vol%-0.04vol% Al2O3/H2O）

图29. 0.05vol% Al2O3/H2O纳米流体下，WMCHS-WTC 的平均壁温实验值与数值值对比

图30. 0.04vol% Al2O3/H2O纳米流体下，WMCHS-WTC与RMCHS的平均努塞尔数实验值与数值值对比

研究通过与现有文献的对比，凸显了WMCHS-WTC的创新优势。与Hung & Yan的双层微通道、Wang等人的直微通道等设计相比，本研究的混合几何结构在较低纳米流体浓度下实现了更显著的壁温降低（20%）与努塞尔数提升（66%），同时保持了相对合理的流动阻力增加（26%）与更低的热阻（0.075℃/W）。该设计通过波纹壁与三角形腔体的协同作用，强化了流体混合与热边界层破坏，为高密度电子设备的高效散热提供了新方案。

研究结论表明，带三角形腔体的波纹微通道散热器（WMCHS-WTC）结合Al2O3/H2O纳米流体，在电子设备冷却应用中展现出卓越的水热性能。在 Re=1000、φ=0.05%、P=200W的最优工况下，WMCHS-WTC较传统RMCHS实现20%的平均壁温降低、66%的努塞尔数提升，最小热阻低至0.075℃/W。实验与数值分析均验证了该混合几何结构的协同增效机制，纳米流体浓度、雷诺数与热通量的增加均有助于提升热性能，但需平衡流动阻力的上升。

本研究的创新点在于首次将波纹壁与三角形腔体集成于单一测试段，通过双模型同步测试实现了公平对比，为微通道散热器的优化设计提供了可靠方法。研究局限性包括仅针对层流与稳态工况、局限于Al2O3/H2O纳米流体、复杂结构的规模化制造挑战等。未来可探索增材制造技术实现结构量产、研究纳米流体长期稳定性、优化通道参数平衡热性能与压力降，或引入电/磁流体动力学效应进一步强化传热，为下一代电子设备的热管理提供更高效的解决方案。

PART3

总结与展望

该研究创新提出融合波纹壁与三角形腔体的复合结构微通道散热（WMCHS-WTC），结合Al2O3/H2O纳米流体开展实验与数值分析，在200–1000的雷诺数、50–200W的热通量及0%–0.05%的纳米流体体积浓度范围内，验证了该设计相较传统矩形微通道散热器（RMCHS）的显著优势，实现了20%的平均壁温降低、66%的努塞尔数提升及更低的热阻（最低达0.075℃/W），为下一代电子设备高效冷却提供了新方案。未来工作可拓展至湍流与瞬态工况，探索更多类型纳米流体及混合纳米流体的应用效果，结合增材制造技术攻克复杂结构规模化生产难题；同时可引入电/磁流体动力学效应、非均匀热流边界等优化方向，进一步平衡热性能与流动阻力，推动该复合结构散热器在高密度电子、EV电池、LED阵列等领域的工程化应用。

3、Experimental and numerical analysis of hydrothermal performa.pdf

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