ICHMT: 带关联导流结构的针肋微通道热沉流动与传热特性研究

论文信息：

Changda Nie, Zhonghao Rao, Haitao Wang, Hongyang Li, Jiangwei Liu, Xinjian Liu, Flow and heat transfer characteristics of pin-fin microchannel heat sink with associated diversion structure, International Communications in Heat and Mass Transfer 175 (2026) 111004

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.111004

Part.1

研究背景

微通道热沉有着轻量化、结构紧凑和传热面积大等特点，是小型化高度集成电子器件散热的关键技术之一。目前有如改进流道结构、引入针肋、传热流体中分散纳米颗粒和微胶囊相变材料等研究。

添加针肋可以增加传热面积和促进流体混合。但是，其在实现MCHS传热强化的同时，会在针肋后方形成流动死区和增加压降。

为解决上述问题，文章提出了一种集成关联导流结构（ADS）的新型PFMCHS。其可以强制针肋侧方的流体流向其后方，有望消除死区并且增强冷热流体混合。文章设计了一系列不同参数的ADS，并将其与传统的PFMCHS进行比较，以此来验证其性能。

Part.2

研究内容

图1展示了本研究所用微通道热沉的示意图。几何参数参照了实验配置进行选取。由于针肋呈周期性排列，因此选取单个通道作为计算域。流道高度为1.0 mm。基板的长度、高度和厚度分别为55.0、1.0和0.25 mm。直径为0.5 mm、间距为1.5 mm的针肋均匀排布在基板上。基板与针肋的材料为铜，工质流体为水。

图 1(a) PFMCHS 和 (b) 计算域的示意图

该研究设计了18种不同的关联倒流结构，以探究其在PFMCHS中强化传热的潜力。案例一中为仅由针肋构成，案例二至十八则在每个针肋后增加了两个额外的ADS。ADS高度与针肋一致，与针肋的水平距离和垂直距离分别为LZ与LS。

图 2具有不同关联导流结构的PFMCHS示意图

如图3所示，几何模型采用FLUENT MESHING软件划分多面体网格。为更好地捕捉热沉基板附近的流动与传热特性，进行了边界层网格细化。第一层边界层网格厚度为0.01 mm，增长率为1.1。当N = 3,315,739和6,638,258时，计算结果几乎相同，压降、热阻和最高温度的最大误差分别为0.16%、0.04%和0.01%。因此，选取N = 3,315,739的网格设置进行后续模拟计算。

图 3具有关联导流结构的针肋微通道热沉的网格结构

图4a展示了文献[45]的实验结果与本研究计算结果的压降对比。可以看出，与实验数据相比，本研究在低雷诺数（Re）下的压降较高，而在高Re下则较低。在Re=1000时，压降的最大偏差为7.8%。文献[45]模拟结果与本研究的热阻变化情况也展示在图4b中，本研究结果与模拟数据吻合良好。

针对带有椭圆形针肋的MCHS，通过将本模型的努塞尔数（Nu）与Wang等人[32]报道的实验数据进行比较。在他们的实验中，PFMCHS具有周期性结构，单个微通道的尺寸为0.55 × 1.5 × 10 mm。实验采用去离子水作为工质。图4c和图4d分别展示了平均Nu和摩擦因子随Re的变化情况。可以看出，模拟结果与实验数据总体吻合良好。Nu和摩擦因子的实验与模拟数据最大误差分别为3.4%和4.1%，从而验证了本数值模型的正确性

图 4本研究结果与 (a-b) 文献[45]的实验及模拟数据、(c-d) 文献[32]的实验数据的对比

不同入口流速下的流动与传热行为趋势相似，因此本文仅展示uin= 0.25 m/s的结果。针肋中心平面的速度分布及热沉温度分布如图5所示。

随着H增大，光滑区域的面积远小于针肋区域，流体被迫流经针肋与ADS，因此针肋区域的流速随H的增大而提高。更高的流速带来更强的对流传热。随着H的增大，针肋顶部形成了波状流动且其幅度也随之增大。故案例6的热沉温度最低，其次是案例5、4、3和2。

图 5在入口流速 uin = 0.25m/s条件下，不同高度（含无ADS）的PFMCHS的（a）针肋中心平面速度分布和（b）固体表面温度分布

图6展示了在入口流速uin= 0.25m/s条件下，不同高度（含无ADS）的PFMCHS在针肋半高平面上的速度和温度分布。

无ADS的PFMCHS（案例1）针肋后方存在流动死区，这不利于传热。引入ADS后，由于ADS使针肋后方的流动发生偏转，这些流动死区得以缓解。流动死区的减小有助于针肋与流体之间的传热。同时，ADS的存在也导致了流动方向的改变和换热表面积的增加。对于案例1，周期性边界附近的流体流动几乎与该平面平行，该区域流体温度远低于中心区域。相比之下，在案例2至案例6中，由于ADS的存在，部分低温流体向中心区域偏移。这增强了冷热流体的混合，使得流体温度更加均匀，从而降低了针肋和ADS的温度，如图6b所示。

图 6在入口流速uin=0.25 m/s条件下，不同高度（含无ADS）的PFMCHS在针肋半高平面上的（a）速度云图和（b）温度云图

图7a比较了在入口流速uin=0.25m/s条件下，有无ADS的PFMCHS加热面中心线温度。可以看出入口与出口的温度存在明显温差，并且这种温差随着其高度的增加而减缓。图7b比较了在针肋1/2高度处热沉的中心线速度。其呈现周期性，在针肋后方先增大后减小。并且带有ADS的案例斜率更大，表明ADS消除了针肋后方的流动死区。

图 7在入口流速uin=0.25m/s条件下，不同高度（含无ADS）的PFMCHS的 (a) 加热面中心线温度和 (b) 针肋中心线速度沿流动方向的对比

图8a展示了不同高度（H）下，有无ADS的PFMCHS的最高温度。因为低流速下导热占主导，而案例2、3的导热面积小于案例1，故温度要高于案例1。另外随着高度的增加，温度逐渐减小。这也就是前述的针肋和ADS周围的流速高，冷热流体混合更强烈所致。图中表面在案例5、6的条件下添加ADS获得了更好的散热能力。

图8b所示，压降也随着高度H的增加而增加。尤其是在高uin下表现更为明显。原因在于更高的H导致容积的减小，进而产生更大的阻力。另外所以案例的压降均小于案例1。表面ADS的应用在降低了温度的同时还降低了压降。

图8c绘制了不同ADS高度下的热阻随泵功的变化关系。热阻随着泵功的增加而指数下降。较高的uin增强了对流传热，从而降低了通过换热表面导热的相对贡献。也就是说H大于等于0.5mm的带ADS的PFMCHS优于不带ADS的。

图8d表明努塞尔数随着uin的增大而增大。带有ADS的PFMCHS的努塞尔数有更大的增大比例。图8e所示为性能评价准则（PEC）用于评估ADS对PFMCHS的传热强化性能。在所有uin下案例5、6均高于案例1。故可选取案例6进行后续研究。

图 8不同高度（含无ADS）的PFMCHS的 (a) 热沉最高温度、(b) 压降、(c) 热阻、(d) 努塞尔数和 (e) 性能评价准则的对

图9展示了在入口流速uin=0.25m/s条件下，不同水平距离ADS的PFMCHS的速度和温度分布。随着Lz的增大，针肋后方的流动死区逐渐增大。案例10已接近于案例1。如前述，ADS能够迫使针肋侧方的流体流向中心区域，但当Lz增大时，流动空间变大，使得这种能力被削弱。同时还削弱了换热表面积和冷热流体的混合程度。另外，当Lz较小时，ADS后方也会形成死区。但与针肋相比小得多，因为针肋尺寸比ADS大。

图 9在入口流速 uin= 0.25 m/s 条件下，不同水平距离的 PFMCHS 在针肋半高平面上的速度分布及固体表面温度分布

图10研究了ADS与针肋之间垂直距离Lz对PFMCHS性能的影响，其中Lz = 0.1mm被确定为最优配置。

在传热性能方面，除Lz = 0.9mm外，最高温度随Lz增大而升高，Lz = 0.1mm在所有流速下均取得最低的最高温度，相比无ADS的基准结构降低19.2%~22.6%；同时其热阻在泵功低于0.4 mW时最低，努塞尔数在所有流速下均为最高，提升幅度达82.6%~106.0%。

在流动性能方面，Lz = 0.1mm的压降最大，且随流速升高增幅愈加显著（40.0%~103.8%），这是因为较小的垂直距离迫使流体从更窄的间隙通过，流动阻力增大。

综合来看，Lz = 0.1 mm的性能评价准则在所有流速下均为最高（1.35~1.95），在uin = 0.2m/s时达到峰值1.95。尽管该配置带来了最高的压降，但其在降低最高温度、减小热阻、提升努塞尔数方面均表现最优，实现了换热强化与压降代价之间的最佳平衡。

图 10不同水平距离Lz的ADS的PFMCHS的 (a) 最高温度、(b) 压降、(c) 热阻、(d) 努塞尔数和 (e) 性能评价准则的对比

图11展示了在入口流速uin = 0.25 m/s条件下，不同相邻ADS之间垂直距离 Ls的PFMCHS在针肋半高平面上的速度分布。如图所示，随着Ls的减小，周期性边界附近的流速逐渐增大。其原因是，流动阻力增大，流体难以流过该间隙。这意味着此时，ADS对冷热流体的混合作用较弱。同时，流动死区在较小的Ls下也会扩大。案例11的流动死区甚至比案例1还要大。即ADS消除流动死区的能力也被削弱了。故传热强化效果被减弱。这一点可以从图12所示的温度云图中看出。案例11的高温区域最大，其次是案例12、13、14和7。此外，还可以看到流体温度更加不均匀。

图 11在入口流速uin = 0.25m/s条件下，不同垂直距离Ls的PFMCHS在针肋半高平面上的速度云图

图 12在入口流速uin= 0.25m/s条件下，不同垂直距离Ls的PFMCHS的温度云图

图13系统分析了不同针肋与导流结构垂直距离Ls的针肋微通道热沉（PFMCHS）的最高温度、热阻、压降及性能评价系数（PEC），结果表明：当入口流速uin<=0.2m/s时，最高温度随 Ls减小而升高，工况14为最优方案，其 最高温度较基准工况1降低20.0%~22.5%，同时该工况在保持相近热性能的前提下可较工况1降低50.6%的泵功率；当 uin>0.2m/s时，最高温度随Ls减小先升后降，工况7的最低，较工况1降低20.4%~22.6%，且在 uin>=0.25m/s时取得最高努塞尔数；压降随 Ls和 uin增大而上升，其中工况14压降最大，较工况1增幅达59.9%~118.7%，这是因为Ls增大导致流道局部变窄、流动阻力增强；相同泵功率下工况11–13热阻基本一致且低于工况7、14，而从PEC综合评价来看，uin<=0.2m/s时工况7最优，uin>0.2m/s 时工况13最优，最终综合来看选取工况7开展后续研究。

图 13不同垂直距离Ls的ADS的PFMCHS的 (a) 最高温度、(b) 压降、(c) 热阻、(d) 努塞尔数和 (e) 性能评价准则的对比

由图14可以看出，将 D 从 0.175 mm 改变到 0.275 mm 对针肋后方的流动死区影响不显著。而 D 的减小使得相邻两个 ADS 之间的间距增大，从而为流体创造了有利的流动路径。冷热流体的混合被削弱，从而恶化了流体与针肋之间的传热。如图15所示，案例15的温度最高。

另外，较大的 ADS 会导致其后方形成流动死区。当 D=0.275mm时，该死区与针肋后方的死区合并，从而形成一个非常大的流动死区。但是，该流动死区远离针肋，因此对传热的削弱作用不显著。同时，较大的 ADS 具有更大的换热表面积，从而增强了对流传热。最终，如图15所示，案例17和案例18的温度分布几乎相同。

图 14在入口流速 uin = 0.25 m/s条件下，不同直径ADS的PFMCHS在针肋半高平面上的速度云图

图 15不同直径导流结构（ADS）的针肋微通道热沉（PFMCHS）温度云图

不同直径ADSS的PFMCHS性能对比结论：增大ADSS直径可显著提升冷却能力、降低最高温度与热阻，强化对流换热并提高综合性能评价系数，但会导致压降升高；其中最优构型可在较宽泵功率范围内实现20.8–22.2%的热阻降低，同时使努塞尔数较基准方案提升153.7–225.3%，综合性能评价系数达1.84–1.97，另有构型可在保持相近热性能的前提下大幅降低泵功率消耗。

图 16不同直径ADS的PFMCHS的 (a) 最高温度、(b) 压降、(c) 热阻、(d) 努塞尔数和 (e) 性能评价准则的对比

Part.3

研究总结

本文提出将关联导流结构（ADS）集成到针肋微通道热沉（PFMCHS）中，以增强其散热能力。通过数值研究，评估了ADS的高度H、水平偏移量Lz、垂直偏移量Ls和直径Dv的影响。在更低的固体体积分数下，将其性能与传统PFMCHS进行了比较。主要结论如下：

（1）ADS的引入不仅减小了PFMCHS中针肋后方的流动死区，还促进了冷热流体在垂直和高度方向上的混合。

（2）较高的ADS通过提高针肋周围的流速并提供更大的换热表面积，增强了PFMCHS的热性能。

（3）增大Lz会导致带ADS的PFMCHS的散热能力下降，这是因为其对针肋后方流动死区的抑制作用减弱。

（4）减小Ls会因间距变小而使针肋后方的流动死区扩大。

（5）带ADS的PFMCHS的热性能随着ADS直径的增大而提高。

Flow and heat transfer characteristics of pin-ffn microchannel heat sink with associated diversion structure.pdf

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