IJTS:用于强化热管理的两级圆柱‑流线型肋片微通道设计与多目标优化

论文信息:Yuhuan Ye, Tao Xue, Xiaobing Zhang,Design and multi-objective optimization of two-stage cylindrical-streamlined fin microchannels for enhanced thermal management ,International Journal of Thermal Sciences 227, (2026).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2026.110942

Part.1

研究背景

当前电子器件持续向高集成度、微型化方向发展，器件功率密度急剧攀升，局部热点问题愈发突出，热管理已成为制约电子器件性能、使用寿命与运行可靠性的核心瓶颈。传统风冷散热技术在高热流密度应用场景中散热能力严重不足，而微通道液冷散热器凭借高比表面积、结构紧凑的优势，成为高热流电子器件散热的主流解决方案。但传统微通道所采用的圆柱肋结构存在明显缺陷，钝前缘会产生较大的流动阻力，肋后易形成大范围低速回流尾迹，导致换热效率受限，同时现有研究大多聚焦于单段肋形优化或单一肋高参数调整，针对复合肋构型的系统研究较为匮乏，无法充分利用不同高度区域几何结构的流动与换热优势。基于这一研究空白，本文提出两级圆柱 - 流线型肋微通道新型结构，通过流固耦合数值模拟揭示其流动与换热机理，结合代理模型与多目标优化算法确定最优几何参数，旨在实现换热强化与压降控制的平衡，为下一代高热流密度电子器件的热管理提供创新结构与高效优化方法，对微通道散热器的理论研究与工程化应用都具有重要价值。

Part.2

研究内容

研究首先基于微通道的结构对称性，选取单周期单元作为计算域完成几何建模，如图 1 所示，绿色区域为流体域、橙色区域为固体域，固体域由铜质基底与两级复合肋片组成，肋片采用下部流线型和上部圆柱形的异质组合设计，同时精准定义了微通道整体尺寸、单通道参数与肋片交错排布方式，将流线段高度 h₁和流线角度 θ确定为核心调控参数，为后续模拟与优化搭建了精准的几何模型。

图 1：模型及具体参数：(a) 微通道单周期单元；(b) 流固耦合计算域模型；(c) 微通道内肋片的排布与形状；(d)-(e) 两级圆柱 - 流线型肋片的具体尺寸

随后团队采用 ANSYS Fluent 2022 R1 开展三维流固耦合稳态数值模拟，基于稳态层流、不可压缩牛顿流体等合理假设，建立连续性、动量及能量控制方程，设置速度入口、压力出口、底部恒热流 300W/cm² 等边界条件，选取雷诺数、摩擦因子、努塞尔数与性能评价因子 PEC 作为核心性能指标。为保证模拟结果的可靠性，研究完成了网格独立性验证，并将光滑微通道的计算结果与已有文献数据对比，如图 2 所示，努塞尔数与摩擦因子的变化趋势高度吻合，充分验证了数值模型的准确性。

图 2：与 Chai 和 Al-Baghdadi 研究结果的对比：(a) 努塞尔数（Nu）的影响；(b) 平均摩擦因子（f）的影响

图 3：两级肋片微通道的结构化网格（ℎ₁=0.5 mm，=30°）

在流动与换热特性分析中，团队率先对比了传统圆柱肋与两级肋微通道在雷诺数 600 工况下的性能差异，结合图 4 的速度场分布与图 5 的温度场分布可以清晰看到，传统圆柱肋在不同高度截面均存在明显的上游滞止区与下游宽尾迹，近壁低速区严重抑制局部换热，肋后形成大面积高温区域；而两级圆柱 - 流线型肋在近壁流线段截面实现了流体平顺绕流，滞止区与尾迹区大幅缩小，中部过渡截面逐步呈现圆柱扰动特征，上部圆柱段则诱导出强二次流结构，有效破坏热边界层并强化流体横向混合，温度场的高温区域显著减小且分布更均匀，展现出分区协同优化的独特优势。

固定流线段高度

图 4：Re=600 时，圆柱肋与两级肋微通道在不同 z 高度处的速度场分布。左侧：圆柱肋；右侧：两级肋（ℎ₁=0.5 mm，=30°）。从上至下：z=0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm

图 5：Re=600 时，圆柱肋与两级肋微通道在不同 z 高度处的温度场分布。左侧：圆柱肋；右侧：两级肋（ℎ₁=0.5 mm，=30°）。从上至下：z=0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm

图 6：圆柱肋与两级肋微通道的性能（固定流线段高度ℎ₁，不同角度）：(a) 热源表面温度随 Re 的变化；(b) 压降随 Re 的变化

图 7：圆柱肋与两级肋微通道的性能（固定流线段高度ℎ₁，不同角度）：(a) Nu 随 Re 的变化；(b) Nu/Nu₀随 Re 的变化；(c) f 随 Re 的变化；(d) f/f₀随 Re 的变化

图 8：圆柱肋与两级肋微通道的 PEC 随 Re 的变化（固定流线段高度ℎ₁，不同角度）

h₁=0.5mm 时，研究探究了流线角度 θ 对微通道性能的影响，从图 6 至图 8 的性能曲线可以看出，θ 从 60° 减小至 15° 的过程中，微通道热源表面温度持续降低，高雷诺数下压力损失低于传统圆柱肋，努塞尔数与综合性能 PEC 不断提升，15° 流线角度下微通道的热工水力性能达到最优。固定 θ=15° 后，团队进一步分析流线段高度 h₁的影响，图 9 至图 11 的结果表明，h₁增大可有效降低热源温度、强化换热，但过高的 h₁会加剧流动分离，综合性能先升后降，h₁=0.5mm 时 PEC 达到峰值，说明存在最优流线段高度实现换热与流阻的平衡。在雷诺数 600 的固定工况下，综合分析 θ 与 h₁的耦合作用，如图 12 所示，15° 流线角度下热源温度对 h₁变化最为敏感，且 PEC 在 h₁≈0.5mm 时出现最优值，明确了参数的最优区间。

图 9：圆柱肋与两级肋微通道的性能（固定流线角度，不同高度ℎ₁）：(a) 热源表面温度随 Re 的变化；(b) 压降随 Re 的变化

图 10：圆柱肋与两级肋微通道的性能（固定流线角度，不同高度ℎ₁）：(a) Nu 随 Re 的变化；(b) Nu/Nu₀随 Re 的变化；(c) f 随 Re 的变化；(d) f/f₀随 Re 的变化

图 11：圆柱肋与两级肋微通道的 PEC 随 Re 的变化（固定流线角度，不同高度ℎ₁）

图 12：固定雷诺数 Re=600 下，不同流线角度的两级肋片流动与换热特性：(a) 热源平均温度ₕ,ₐᵥₑ随ℎ₁的变化；(b) Nu/Nu₀随ℎ₁的变化；(c) f/f₀随ℎ₁的变化；(d) PEC 随ℎ₁的变化

为进一步精准定位最优设计参数，研究以 h₁和 θ 为设计变量，基于 33 组 CFD 模拟数据构建高斯过程回归（GPR）代理模型，经 5 折交叉验证，GPR 模型的拟合精度远优于传统多项式模型，随后将 GPR 与 NSGA-Ⅱ 多目标优化算法结合，以最小化流动阻力、最大化换热性能与综合性能为目标，求解得到帕累托最优解集，如图 14 的三维帕累托前沿所示，综合性能 PEC 与换热性能最大化的最优解高度契合，最终得到最优几何参数为 h₁=0.5484mm、θ=15°。经 CFD 仿真验证，该最优解的性能指标预测误差均低于 0.04%，结合图 15 的温度场分布与图 16 的全雷诺数性能曲线，最优设计在 100-1000 雷诺数范围内热源温度更低、分布更均匀，PEC 值始终高于传统结构，相比传统圆柱肋，换热系数提升 12.7%，流动阻力仅增加 1.6%，综合性能提升 12.1%，充分验证了创新结构与优化方法的优越性。

图 13：叠加原始数据点的响应面：(a)-(c) 分别为 GPR 模型对 Nu/Nu₀、f/f₀和 PEC 的预测结果；(d)-(f) 对应 GPR 预测方差（不确定性）等高线；(g)-(i) 用于对比的 Lasso 回归三阶多项式模型预测结果

图 14：三目标优化帕累托前沿

图 15：Re=600 时微通道在不同 z 高度处的温度场分布。左侧：两级肋（ℎ₁=0.5 mm，=15°）；右侧：帕累托最优两级肋。从上至下：z=0.25 mm、0.5 mm、0.75 mm

图 16：帕累托最优设计（ℎ₁=0.5484 mm，=15°）、两级肋（ℎ₁=0.5 mm，=15°）与圆柱肋的热工水力性能对比：(a) 热源平均温度ₕ,ₐᵥₑ随 Re 的变化；(b) PEC 随 Re 的变化

Part.4

总结与展望

本文通过数值模拟与多目标优化相结合的方法，系统探究了两级圆柱 - 流线型肋微通道的热工水力特性，明确了流线角度与流线段高度是调控微通道性能的核心参数，在 100-1000 雷诺数范围内，15° 的流线角度能构建最优流场结构，0.5484mm 的流线段高度可实现换热强化与压降控制的最佳平衡，两级复合肋结构通过下部流线减阻、上部圆柱诱导二次流的分区设计，有效抑制流动分离、强化流体混合，大幅提升了微通道的换热均匀性与效率，而高斯过程回归代理模型耦合 NSGA‑II 算法的优化框架，高效精准地找到了最优设计参数，为微通道散热器的优化设计提供了可靠且高效的方法。

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