ICHMT：直排与错排倾斜肋 - 柱鳍微通道散热器流动传热特性数值研究及人工神经网络分析

论文信息：

Hyeon Bin Seong, Jeong Geun Gwon, Mun Su Lee, Hoon Ki Choi, Yong Gap Park, Numerical study and ANN analysis on heat transfer and flow characteristics of microchannel heat sink with inclined rib–pin fin in in-line and staggered arrangements, International Communications in Heat and Mass Transfer, 178 (2026)

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2026.111593

Part.1

研究背景

微电子与半导体封装技术快速迭代，电子器件日趋微型化、高集成化，芯片热流密度已达100 W/cm²，散热不足会引发芯片温升、热应力增大，严重降低器件可靠性与寿命，制约大功率电子系统稳定运行。微通道散热器是高热流散热主流方案，现有肋、柱鳍及二者复合结构虽能强化换热，但普遍存在流动阻力与压降偏大、流体仅轴向流动、上下层掺混弱、底部易积热、局部传热不均等问题；且传统CFD多参数优化计算量大、效率低。为此本文提出倾斜肋-柱鳍直排、错排新型微通道结构，研究排布方式、肋倾角与雷诺数对流动传热的影响，并搭建ANN人工神经网络模型实现快速精准预测优化，节省仿真计算成本，为微通道散热器结构设计提供理论支撑。

Part.2

研究内容

本文首先建立了带倾斜肋 - 柱鳍的微通道散热器物理模型，如图 1 所示，模型分为直排和错排两种结构，直排结构仅在通道下壁均匀布置倾斜肋片，错排结构则在通道上下壁交替布设肋片，整体微通道内部高 350 μm、宽 250 μm，肋片与柱鳍高度均为 262.5 μm，肋倾角研究范围设定在 30°~150°，以去离子水为冷却工质、硅为固体基底，底部施加 100 W/cm² 恒定热流边界条件，雷诺数选取 150 至 650 的层流区间开展仿真计算。

图 1带倾斜肋 - 柱鳍微通道散热器结构示意图：(a) 直排结构三维视图，(b) 错排结构三维视图，(c) 正视图、俯视图与侧视图。

图 2本文数值结果与文献数据对比：(a) 与 Chai 等人试验数据对比，(b) 与 Li 等人数值模拟数据对比。

图 3人工神经网络（ANN）模型结构示意图。

研究采用三维流固耦合数值模拟方法，基于连续性方程、动量方程和能量方程构建数值计算模型，同时考虑去离子水热物性参数随温度的变化规律，为保证计算精度与效率，完成网格无关性验证后选用 400 万网格单元进行计算，并将本文数值结果与已有实验数据、仿真文献结果对比，最大误差均控制在合理范围内，验证了数值模型的可靠性。

文中搭建的人工神经网络模型结构如图 3 所示，以肋片排布形式、雷诺数、肋倾角为输入层，以努塞尔数和摩擦因子为输出层，设置三层隐藏层且每层 100 个神经元，采用 8:1:1 的数据划分方式划分训练集、验证集和测试集，利用 90 组 CFD 仿真数据完成模型训练。

图 4雷诺数 450、不同肋倾角下直排结构流动特性：(a) 速度分布与三维流线，(b) 微通道壁面表面流线（热流密度 100W/cm2）。

图 5雷诺数 450、不同肋倾角下直排结构流体温度分布：(a) 三维温度云图，(b) 微通道壁面温度分布（热流密度 100W/cm2）。

图 6雷诺数 450 下，不同肋倾角直排结构沿流向的变化规律：(a) 局部努塞尔数，(b) 局部摩擦因子。

图 7雷诺数 450、不同肋倾角下错排结构流动特性：(a) 速度分布与三维流线，(b) 微通道壁面表面流线（热流密度 100W/cm2）。

图 8雷诺数 450、不同肋倾角下错排结构流体温度分布：(a) 三维温度云图，(b) 微通道壁面温度分布（热流密度 100W/cm2）。

在流动与传热特性分析中，结合图 4 和图 5 可以看到，直排结构下流体大多从通道上部流过，上下流体掺混微弱，不同肋倾角会改变通道内回流区、滞止区的大小与位置，倾角 60° 时流动分离与撞击现象最弱，但仍存在底部壁面热量堆积、上下温差大的问题，倾角 30° 和 150° 时会形成强剪切层但易产生大面积滞止高温区；而从图 7 和图 8 错排结构的流场与温度场云图能够看出，上下壁交替布置的肋片会诱导流体产生强烈三维竖向掺混，有效打破单一轴向流动模式，显著缩小肋后滞止区和高温区域，让通道整体温度分布更加均匀，在 Re=450、肋倾角 60° 工况下，流场分离再附效果最优，流动滞止与碰撞问题得到有效缓解。

论文进一步分析了局部努塞尔数、局部摩擦因子沿流动方向的变化规律，如图 6 和图 9 所示，柱鳍前方会出现努塞尔数峰值，肋后回流区换热性能显著下降，错排结构的局部努塞尔数整体高于直排结构，但也伴随局部水力扰动的小幅提升。

图 9雷诺数 450 下，不同肋倾角错排结构沿流向的变化规律：(a) 局部努塞尔数，(b) 局部摩擦因子。

图 10泵送功率与热阻随雷诺数、肋倾角的变化：(a) 直排结构，(b) 错排结构。

图 11努塞尔数、摩擦因子及综合性能评价指标随雷诺数、肋倾角的变化：(a) 直排结构，(b) 错排结构。

图 12本文结构与已有肋 - 柱鳍微通道散热器的综合性能指标对比。

图 13努塞尔数、摩擦因子的 CFD 数值模拟结果与 ANN 预测结果对比。

在此基础上研究了泵送功率、热阻、努塞尔数、摩擦因子及综合性能评价指标 PEC 的变化规律，所有工况下 PEC 均大于 1，说明新型结构换热性能远优于光滑微通道，在 Re=450、错排 60° 时 PEC 达到 1.52，相比光滑通道综合热力水力性能提升 52%，和已有的肋柱鳍微通道结构对比，该最优工况下 PEC 性能提升幅度可达 13%~43.7%。

图 14基于雷诺数与肋倾角的 ANN 三维性能分布预测：(a) 直排结构，(b) 错排结构。

图 15经验关联式计算值与 CFD 仿真值对比：(a) 直排结构，(b) 错排结构。

利用训练完成的 ANN 模型开展参数预测与优化，从图 13 可以看出 ANN 预测值与 CFD 仿真值高度吻合，Nu 和 f 的决定系数 R² 分别达到 0.9991 和 0.9972，平均相对误差均低于 1%，具备极高的预测精度；通过图 14 的三维参数分布云图得到两种排布的最优工况，直排结构最优参数为 Re=650、肋倾角 78.8°，错排结构最优参数为 Re=650、肋倾角 131.5°，经 CFD 交叉验证，ANN 预测与仿真结果误差小于 1%。

最后论文通过非线性回归拟合，建立了直排和错排结构下 Nu 与 f 的经验关联式，可在研究参数范围内实现性能快速估算，为工程初步设计提供便捷计算方式。

Part.4

总结与展望

本文通过数值模拟系统探究了倾斜肋 - 柱鳍直排、错排微通道散热器的流动传热机理，明确了肋片排布方式、倾斜角度和雷诺数对流场结构、温度分布、换热能力及流动阻力的影响规律，发现错排结构凭借上下流体三维掺混优势，能有效改善底部热量堆积问题，综合热力水力性能显著优于直排结构，且在 Re=450、肋倾角 60° 时实现换热强化与压降损失的最佳平衡。构建的人工神经网络模型精准捕捉了多参数间的非线性关联，预测误差低于 1%，能够快速完成性能预测与参数优化，相比传统 CFD 仿真大幅节约计算成本，拟合得到的经验关联式也可满足工程快速估算需求。未来研究可以拓展肋片厚度、柱鳍直径、通道长宽比等更多几何参数变量，扩充 ANN 模型训练数据集，提升模型对不同结构的泛化能力；同时可以引入纳米流体作为冷却工质，探究工质物性与结构参数的耦合影响，还可结合增材制造技术开展样机实验测试，进一步验证仿真与优化结果的工程实用性，推动该类新型微通道散热器在高端电子设备热管理中的实际应用。