ECM:多源非均匀热负荷下射流-翅片混合微通道热沉的协同强化及流热耦合作用

论文信息：

Yingying Jiang, Benben Kong, Kaijie Yang, Hong Shi, Yanlong Jiang, Synergistic enhancement and flow-thermal interaction of jet-fin hybrid microchannel heat sinks for multi-source non-uniform heat loads, Energy Conversion and Management

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2026.122020

Part.1

研究背景

随着现代电子器件向高集成度和高功率密度方向快速发展，单位面积热生成量急剧上升，多热点共存和非均匀热负荷成为热管理领域面临的重大挑战。热点的存在不仅导致芯片局部温度急剧升高，还会引发不均匀热应力，严重影响器件寿命和可靠性。传统研究多聚焦于单热点或均匀热源工况，通过引入射流冲击、微肋片或二者组合来强化换热，但这些方案在多源非均匀场景下仍存在冷却资源分配不合理、温度均匀性难以控制以及换热强化与压降惩罚之间的根本矛盾——降低热点温度通常需要更高流速或更多肋片，而这不可避免地增加了压降和冷却能耗，这一矛盾在能耗密集的数据中心尤为突出。针对上述瓶颈，已有研究在射流冲击冷却、肋片强化以及二者组合方面取得了显著进展，但对于具有空间非均匀热流分布和多热点耦合效应的实际工况，射流-肋片复合结构的协同冷却机制、流动分配特性及温度均匀性控制策略仍缺乏系统研究。本研究旨在填补这一空白，通过数值模拟方法，以三种肋片构型和五种射流倾角为双因素设计，系统考察射流倾角与肋片几何的协同作用对多源非均匀热负荷下热-水力学性能的影响规律，探索通过结构创新实现流动分配匹配与高效热扩散的优化路径。

Part.2

研究内容

本研究设计的射流-肋片复合微通道热沉（JMCHS+FINS）如图1所示，由均压室、射流段和混合段组成。冷却剂经入口进入分配室后通过多孔导流板形成高速射流，垂直冲击冷却表面，有效破坏和减薄热边界层，产生极高的局部对流换热系数；冲击后的冷却剂沿径向流动并经过肋片区域，肋片阵列显著增加有效换热面积并诱导强烈的流体混合和湍流。计算模型包含三个功率水平不同的矩形热源（3.5×2.8 mm²），热流密度分别设为300、200和100 W/cm²，高功率热源靠近入口布置，对应AMD EPYC、Tesla Dojo等高功率芯片的实际散热需求。

图1 物理模型示意图 (a)JMCHS (b)FIN冷板 (c)JMCHS+FINS (d)JMCHS+FINS的操作说明

如图2所示，计算域包含流体域和固体域，固体材料为铜，工质为去离子水，同时引入了PG25（25%丙二醇水溶液）作为对比冷却工质以评估不同冷却介质下的性能。流态分析表明，在所研究的流量范围内，雷诺数约为2070~24840，为充分发展的湍流，因此采用RNG k-ε湍流模型配合增强壁面处理（EWT），确保近壁区域y⁺≈1，该模型在预测强流线曲率、涡旋和旋转等流动特征方面具有优势。入口为速度入口，出口为压力出口，热沉外壁面绝热，固-液界面为耦合无滑移边界。采用SIMPLEC算法处理压力-速度耦合，二阶迎风格式离散控制方程，收敛标准为各方程残差低于10⁻⁶。

图2 简化计算模型的原理图和几何尺寸 (a)原始模型 (b)三维视图 (c)俯视图 (d)俯视图

如图3所示，本研究引入三种典型肋片构型进行对比：针肋（PS）、矩形肋（RS）和柱状肋（CS），其高度均为0.45 mm，间距0.25 mm。此外，如图4所示，为优化冷却资源在三个非均匀热源之间的分配，本研究考察了导流板倾角在-2°~+2°范围内对性能的影响，倾角受几何约束限制在±2°以内，更大角度将导致射流偏离热源或撞击侧壁。网格独立性验证采用GCI方法，确认4,800,803个网格单元位于渐进收敛区，h和ΔP的GCI值分别为0.469%和0.145%，远低于5%判据。模型验证如图5所示，与Fan等实验数据对比，压降和换热系数预测值均落在±10%偏差带内，验证了数值模型的准确性。

图3 三种肋片结构示意图 (a)PS (b)RS (c)CS

图4 转向板倾角示意图

图5 本计算结果与Fan等人的实验数据的比较

热源表面最高温度Tmax、热源间温度标准差σT表征温度均匀性、总面积热阻Ravg、压降ΔP，以及综合性能评价准则PEC，其定义为相同泵功条件下强化结构与基准结构的Nu与摩擦因子之比，当PEC>1时表明在相同泵功下可传递更多热量。

如图6所示，在0°倾角、8 L/h流量下，三种肋片构型的PEC均大于1，证实引入肋片可在相同泵功约束下提升综合热性能。PS构型综合表现最优——Tmax为331.74 K，ΔP为17,676 Pa，PEC为1.287——因其柱状外形允许流体更自然地绕流且换热面积更广，而RS构型虽提供大面积换热但因连续矩形通道阻碍射流充分发展，CS构型虽形成宽大尾迹增强涡旋混合但尾迹脱离主流消耗能量并增加压阻。

图6 在体积流量为8 L/小时时，无翅片、PS、RS和CS配置的面积比热阻和压降的比较

如图7-8所示，倾角优化分析表明，正倾角+2°使射流偏转指向高功率热源，实现了冷却资源的按需分配——Hotspot 1温度降低0.57 K，Hotspot 3温度升高0.78 K，热源间温度标准差收窄至5.64 K，同时压降较0°降低19%。负倾角则导致冷却资源错配和性能恶化，应予以避免。

图7 不同倾角下的整体性能比较

图8 不同倾角下各热源冷却面平均温度的比较 (a)Hotspot 1 (b)Hotspot 2 (c)Hotspot 3

如图9所示，肋片几何与倾角之间存在强交互作用。当倾角优化至+2°时，RS构型发生性能反转，超越PS成为最优方案——Tmax=329.27 K，σT=5.61 K，ΔP=14,511 Pa，PEC=1.398。相比未倾斜RS+0°基线，RS+2°同时实现峰值热点温度降低3.98 K和压降降低49%，这一罕见的同时优化表明换热强化与压降惩罚的传统权衡在本研究所考察的设计范围内得以缓解。

图9 混合组态的交互效应 (a)σT (b)Tmax (c)ΔP

如图10-11所示，性能反转源于倾角优化触发了RS构型流态的根本性转变——射流从垂直冲击转变为流线型进入，消除了入口阻塞效应；矩形肋顶部区域主动参与换热，肋周和肋上出现明显涡结构；在矩形流道引导下，流体向两侧冷却区域的流动得到促进，换热模式从原有二维模式转变为具有三维绕流特征、强化多维流体混合的复杂流动，更有效地破坏了热边界层。

图10 在+2◦斜喷流下不同混合结构翅片表面换热系数的比较 (a)PS+2◦ (b)RS+2◦ (c)CS+2◦

图11 不同混合构型在+2◦斜喷流下的流动特性 (a)PS+2◦ (b)RS+2◦ (c)CS+2◦

如图12-13所示，在2~24 L/h宽流量范围内，RS+2°构型相对于传统无翅片水平射流方案始终保持性能优势。在2 L/h极低流速下，RS+2°最高热点温度为363.47 K，较参照结构降低58.87 K，冷却效率达48.1%；在高流速下压降优势更为突出，24 L/h时压降改善率达11.2%。泵功对比显示，4~24 L/h范围内RS+2°泵功较无翅片参照结构低4.4%~11.2%，且节能率随流量增加单调上升。

图12 RS+2◦配置和参考结构在不同流量下的性能比较 (a)Tmax (b)σT (c)ΔP (d)Wtot

图13 RS+2◦在不同流量下的性能改善

如图14-15所示，在294~306 K入口温度范围内，RS+2°的温度标准差几乎恒定在5.5 K左右，整个温度场随入口温度同步平移，显示出优异的热稳定性，冷却效率维持在24%~37%，压降改善率保持在7.5%~9.0%。

图14 RS+2◦结构和参考结构在不同入口温度下的性能比较 (a)Tmax (b)σT (c)ΔP

图15 RS+2◦在不同进口温度下的性能改善 (a)温升效应 (b)冷却和能效提高

如图16-17所示，在PG25冷却工质条件下，RS+2°构型相对于对应的无翅片PG25基线，在峰值温度、温度均匀性和压降方面仍保持一致的相对优势，验证了该设计方案在不同冷却介质下的有效性。如原文所示，在逆序热负荷和均匀热负荷两种不同热源排列方式下，RS+2°的PEC值均高于1.38，证明其有效性不依赖于热源的功率排序顺序，对多种实际封装布局具有良好的适应性。

图16 在Tin=300K下，不同配置和冷却剂在不同体积流量下的性能比较 (a)Tmax (b)σT (c)Wtot

图17 在Q=8 L/小时不同进口温度下不同结构和冷却剂的性能比较 (a)Tmax (b)σT (c)ΔP

Part.3

总结与展望

本研究通过数值模拟系统考察了射流倾角与肋片几何的协同作用对多源非均匀热负荷下微通道热沉热-水力学性能的影响规律。在0°倾角下PS构型综合性能最优，但倾角优化至+2°时RS构型实现性能反转并成为全局最优，较未倾斜RS基线同时降低峰值热点温度3.98 K和压降49%。性能反转的物理机制在于正倾角将射流从垂直冲击转变为流线型进入，消除了入口阻塞效应，同时矩形肋顶部区域主动参与换热，在矩形流道引导下流体向两侧冷却区域的流动得到促进，流态从二维受限流动转变为具有三维绕流和涡旋混合特征的复杂流动。在2~24 L/h宽流量和294~306 K宽入口温度范围内，RS+2°相对于传统无翅片方案始终保持性能优势——低流速下冷却效率达48.1%，高流速下压降改善率11.2%，温度标准差稳定在5.5 K。在PG25冷却工质和不同热源排列方式下该优势依然保持。本研究揭示了肋片几何与射流倾角之间的强交互作用机制，表明在多热源非均匀热负荷场景下，肋片选择与射流方向必须协同优化而非分开处理。未来研究应开展实验验证以 corroborate 预测的同时降温和降压效果，并探索该设计策略在其他几何尺寸、热流等级和芯片布局下的适用性。

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