論文信息：

Guilian Wang , Nan Qian , Guifu Ding,Heat transfer enhancement in microchannel heat sink with bidirectional rib.International Journal of Heat and Mass Transfer 136 (2019) 597–609

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https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.02.018

Part.1

研究背景

電子設(shè)備朝著小型化和高速化的方向不斷發(fā)展，這使得其功率密度大幅提升，進(jìn)而導(dǎo)致電子設(shè)備產(chǎn)生大量熱量。盡管微通道散熱器本身已具備較高的熱性能，但隨著電子設(shè)備對(duì)散熱需求的不斷提高，研究人員仍在探索進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱的技術(shù)，如采用納米流體、增大傳熱面積以及促使熱邊界層重新發(fā)展等。肋片，也被稱為粗糙元或擾流件，因其在強(qiáng)化傳熱方面效果顯著，已得到廣泛的研究和應(yīng)用。盡管采用肋片可以增強(qiáng)微通道散熱器的熱性能，但由于流動(dòng)擾動(dòng)大以及流動(dòng)阻塞效應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致壓降升高。此外，還有大量研究聚焦于肋片的橫截面形狀對(duì)微通道散熱器熱工水力性能的影響。垂直肋和展向肋均能通過擾動(dòng)熱邊界層和引發(fā)回流來促進(jìn)冷熱流體混合，從而改善傳熱特性。然而，它們所擾動(dòng)的熱邊界層和引發(fā)的回流僅局限于垂直或展向單一方向，這使得垂直肋和展向肋對(duì)傳熱的強(qiáng)化作用受到限制，無法充分提升微通道散熱器的傳熱能力。為此，本文提出了一種新型的雙向肋，它由垂直肋和展向肋組合而成，能夠在垂直和展向兩個(gè)方向上同時(shí)破壞熱邊界層并引發(fā)回流，進(jìn)而進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱效果。

Part.2

研究?jī)?nèi)容

新型雙向肋微通道散熱器由兩部分組成，如圖 1（a）所示：一部分是帶有垂直肋粗糙化微通道的蓋板；另一部分是帶有展向肋粗糙化微通道的基板。

圖 1 為雙向肋微通道散熱器的結(jié)構(gòu)示意圖（a）以及雙向肋的幾何結(jié)構(gòu)示意圖（b），其中標(biāo)注了蓋板、出口、展向肋、垂直肋寬度、垂直肋、垂直肋高度、入口、展向肋高度、展向肋寬度、垂直肋長(zhǎng)度、展向肋數(shù)量、展向肋長(zhǎng)度和基板等結(jié)構(gòu)。

由于所設(shè)計(jì)的微通道散熱器為周期性結(jié)構(gòu)，為了體現(xiàn)其流動(dòng)和傳熱特性，僅選取單分支微通道作為計(jì)算域，如圖 2所示。

圖 2 展示了三種不同肋片結(jié)構(gòu)的單分支微通道示意圖，（a）為帶有雙向肋的微通道，（b）為帶有垂直肋的微通道，（c）為帶有展向肋的微通道，圖中還標(biāo)注了熱源位置。

本研究采用商業(yè)軟件 Fluent 對(duì)不同肋片結(jié)構(gòu)的固 - 液耦合傳熱過程進(jìn)行模擬，該軟件能夠?yàn)樵u(píng)估傳熱和流動(dòng)特性提供便捷且精確的方法。為確保模擬結(jié)果的高精度，所有模型均采用 ANSYS ICEM CFD 14.5 生成六面體網(wǎng)格，如圖 3 所示。

圖 3 為雙向肋處帶肋通道的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意圖，展示了雙向肋附近的詳細(xì)網(wǎng)格分布情況。

采用微加工技術(shù)制作所設(shè)計(jì)的雙向肋微通道散熱器，其主要工藝流程如圖 4 所示。為對(duì)比雙向肋對(duì)流體流動(dòng)和傳熱的影響，采用相同的幾何尺寸和制作工藝制作了另外兩種分別帶有垂直肋和展向肋的微通道散熱器。

圖 4 為雙向肋微通道散熱器的主要制作工藝流程示意圖，清晰展示了從基板和蓋板的初始加工到最終集成結(jié)構(gòu)的形成過程，涉及硅、二氧化硅、光刻膠、鉻 / 銅、錫、鎳等材料的處理步驟。

圖 5 為掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，（a）展示了帶有垂直肋的蓋板結(jié)構(gòu)，（b）展示了帶有展向肋的基板結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)裝置用于測(cè)量不同肋片結(jié)構(gòu)微通道散熱器的傳熱和摩擦特性，如圖 6 所示。該裝置由 Masterflex 蠕動(dòng)泵、過濾器、電子天平、兩支溫度計(jì)和壓力計(jì)、直流電源以及紅外熱像儀組成。

圖 6 為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，清晰標(biāo)示出了直流電源、壓力計(jì)、測(cè)試段、溫度計(jì)、泵、換熱器、紅外相機(jī)、過濾器、收集容器、數(shù)字電子天平和恒溫水浴等各個(gè)組件的連接關(guān)系和位置。

本實(shí)驗(yàn)在雷諾數(shù) 100 至 1000 的范圍內(nèi)，對(duì)所有帶肋微通道的平均努塞爾數(shù)和表觀摩擦系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和預(yù)測(cè)，并詳細(xì)探討了不同肋片對(duì)傳熱和流動(dòng)特性的影響機(jī)制。此外，還分析了垂直肋的相對(duì)肋高（eVR）和展向肋的相對(duì)肋寬（eSR）對(duì)熱工水力性能的影響。

圖 7 展示了所有帶肋微通道的平均努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況。對(duì)于所有案例，模擬得到的努塞爾數(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合良好，雙向肋微通道（BR-MC）、垂直肋微通道（VR-MC）和展向肋微通道（SR-MC）的最大偏差分別為 7.1%、8% 和 9.8%。

圖 7 為所有帶肋微通道的努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)變化的曲線，其中包含了模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，清晰展示了不同肋片結(jié)構(gòu)微通道在不同雷諾數(shù)下的努塞爾數(shù)差異。

圖 8 展示了展向肋微通道（SR-MC）、垂直肋微通道（VR-MC）、雙向肋微通道（BR-MC）以及帶有前向三角形展向肋的微通道的努塞爾數(shù)與光滑微通道努塞爾數(shù)的比值（Nu/Nu?）隨雷諾數(shù)的變化情況（其中 Nu?為光滑微通道的努塞爾數(shù)）。

圖 8 為所有帶肋微通道的歸一化努塞爾數(shù)（Nu/Nu?）隨雷諾數(shù)變化的曲線，通過與帶有前向三角形展向肋的微通道對(duì)比，凸顯了雙向肋微通道的傳熱強(qiáng)化優(yōu)勢(shì)。

上述結(jié)果表明，在相同雷諾數(shù)下，雙向肋能夠在微通道中實(shí)現(xiàn)最顯著的傳熱強(qiáng)化。然而，需要注意的是，較高的傳熱強(qiáng)化效果通常伴隨著表觀摩擦系數(shù)的增大。圖 9 展示了雙向肋微通道、展向肋微通道和垂直肋微通道的表觀摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況。

圖 9 為所有帶肋微通道的表觀摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的曲線，包含了模擬數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，清晰呈現(xiàn)了不同肋片結(jié)構(gòu)微通道在不同雷諾數(shù)下的摩擦特性差異。

為深入理解三種不同結(jié)構(gòu)微通道的傳熱和壓降特性的內(nèi)在機(jī)制，本節(jié)展示并討論了三維微通道模型中的流線分布，如圖 10 所示。

圖 10 為雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，五種至七種肋片之間三種微通道結(jié)構(gòu)（a）垂直肋微通道、（b）展向肋微通道、（c）雙向肋微通道的三維流線圖，清晰展示了不同肋片結(jié)構(gòu)下流體的流動(dòng)狀態(tài)和回流區(qū)域分布。

同時(shí)，為進(jìn)一步探究流場(chǎng)和傳熱機(jī)制，還展示了二維橫截面的流線分布。圖 11 展示了在測(cè)試段第五和第六個(gè)肋片之間，x=0.3125 毫米處的 y-z 橫截面（左側(cè)）和 z=0.9 毫米處的 x-y 橫截面（右側(cè)）在雷諾數(shù) Re=500 時(shí)的流線分布。顯然，垂直肋、展向肋和雙向肋的引入均在微通道中引發(fā)了回流。

圖 11 為雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，第五和第六個(gè)肋片之間（a）垂直肋微通道、（b）展向肋微通道、（c）雙向肋微通道在 x=0.3125 毫米處（左側(cè)）和 z=0.9 毫米處（右側(cè)）的橫截面流線圖，直觀呈現(xiàn)了不同肋片結(jié)構(gòu)在不同橫截面處的回流分布和流場(chǎng)變化。

圖 12 展示了雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，三種帶肋微通道在第五和第六個(gè)肋片之間的中心橫截面（x=0.3125 毫米、y=5.55 毫米、z=0.9 毫米）上的詳細(xì)溫度場(chǎng)分布，所有案例的溫度等級(jí)相同。

圖 12 為雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，（a）垂直肋微通道、（b）展向肋微通道、（c）雙向肋微通道在第五和第六個(gè)肋片之間中心橫截面（x=0.3125 毫米、y=5.55 毫米、z=0.9 毫米）上的溫度場(chǎng)分布圖，通過不同顏色標(biāo)識(shí)溫度高低，清晰展示了不同肋片結(jié)構(gòu)下的溫度分布差異和回流區(qū)域?qū)囟葓?chǎng)的影響。

三種帶肋微通道四個(gè)壁面上的傳熱情況通過局部努塞爾數(shù)（Nux）進(jìn)行展示，如圖 13 所示。

圖 13 為雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，三種帶肋微通道在（a）頂壁、（b）左壁、（c）右壁和（d）底壁上的局部努塞爾數(shù)分布圖，通過不同顏色深淺標(biāo)識(shí)局部努塞爾數(shù)大小，直觀反映了不同壁面和不同肋片結(jié)構(gòu)下的局部傳熱特性。

根據(jù)前述結(jié)果可以得出，雙向肋微通道在傳熱性能方面顯著優(yōu)于垂直肋微通道和展向肋微通道。本研究的下一步旨在分析肋片幾何參數(shù)對(duì)雙向肋微通道熱工水力性能的影響。圖 14 展示了雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，雙向肋微通道的努塞爾數(shù)隨 eSR 和 eVR 的變化情況。

圖 14 為雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，雙向肋微通道的平均努塞爾數(shù)隨展向肋相對(duì)肋寬（eSR）和垂直肋相對(duì)肋高（eVR）變化的曲線，同時(shí)標(biāo)注了與展向肋微通道和垂直肋微通道的對(duì)比情況。

圖 15 展示了 eSR 和 eVR 對(duì)表觀摩擦系數(shù)的影響?？梢悦黠@看出，在整個(gè)雷諾數(shù)范圍內(nèi)，隨著 eSR 和 eVR 的增大，表觀摩擦系數(shù)持續(xù)增大。

圖 15 為雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，雙向肋微通道的平均摩擦系數(shù)隨展向肋相對(duì)肋寬（eSR）和垂直肋相對(duì)肋高（eVR）變化的曲線，同時(shí)體現(xiàn)了與展向肋微通道和垂直肋微通道的摩擦系數(shù)差異。

圖 16 展示了雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，雙向肋微通道的傳熱強(qiáng)化因子隨 eSR 和 eVR 的變化情況。隨著 eSR 和 eVR 的增大，傳熱強(qiáng)化因子先顯著增大后減小。

圖 16 為雷諾數(shù) Re=500 時(shí)，雙向肋微通道的傳熱強(qiáng)化因子隨展向肋相對(duì)肋寬（eSR）和垂直肋相對(duì)肋高（eVR）變化的曲線，標(biāo)注了最大傳熱強(qiáng)化因子對(duì)應(yīng)的參數(shù)值以及傳熱強(qiáng)化因子大于 1 的參數(shù)范圍。

Part.3

研究總結(jié)

本文通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究了帶雙向肋（BR）微通道散熱器的熱工水力性能并與垂直肋（VR）、展向肋（SR）微通道對(duì)比，闡明了雙向肋傳熱強(qiáng)化機(jī)制及相關(guān)參數(shù)影響。結(jié)果表明，相同質(zhì)量流量下，雙向肋微通道的努塞爾數(shù)分別為垂直肋、展向肋微通道的 1.2-1.42 倍和 1.4-2 倍，傳熱強(qiáng)化效果更優(yōu)，但因阻塞效應(yīng)表觀摩擦系數(shù)最大；雙向肋通過在垂直和展向雙向破壞熱邊界層、引發(fā)回流實(shí)現(xiàn)高效傳熱，其四個(gè)壁面局部努塞爾數(shù)均最大；垂直肋相對(duì)肋高（eVR）和展向肋相對(duì)肋寬（eSR）增大可提升傳熱但會(huì)增加摩擦系數(shù)，當(dāng) eVR<0.316 且 0.026<

Wang 等 - 2019 - Heat transfer enhancement in microchannel heat sink with bidirectional rib.pdf

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