本文研究了一种新型的流体旋转微通道散热器(FR-MC)，并报道了其传热性能。FR-MC的特点是位于通道中的两个交叉肋。这些横肋在流体流动的方向上倾斜，每根肋在相反的方向上倾斜。这种设计使流体能够沿着肋部上升或下降，在通过中心后产生旋转，从而改变流动方向。实验验证了模型和数值模拟的准确性。通过对比分析，研究了FRMC的传热性能，并探讨了性能提高的原因。结果表明，与矩形微通道(R-MC)相比，热阻降低了45%。这种改善是由于流体的旋转促进了上下部分的交换和冷热部分的混合，有效地破坏了壁面附近的热边界层。进一步研究微通道尺寸对传热性能的影响表明，FR-MC在各种高度和宽度上都优于R-MC，热阻降低幅度为16%至50%，说明FR-MC具有优越的传热性能。
FR-MC散热器结构由通道和流形两部分组成，如图1(a)所示。为了实现小型化封装，通道和歧管被集成到一个单一的结构中。散热器直接放置在芯片上，并在垂直方向上将热量传导到流体中。图1(b)显示了FR-MC和流形的几何模型，流形由125个通道单元组成，形成一个25 mm × 25 mm的微通道散热器。流体通过一侧的上表面进入每个通道单元，并从相反一侧的上表面排出，从而在单元内建立单向流动。FR-MC单元的几何模型如图1(c)所示，在通道中间有两根十字肋，用于诱导流体旋转，使上下部分流体交换，促进流体冷热部分混合，显著提高换热能力。每个横肋的厚度等于通道宽度的一半。为了便于对拟议的FR-MC进行比较分析，我们还开发了R-MC的几何模型，如图1(d)所示。
图1 几何模型。(a)示意图;(b)微通道和多方面综合结构。灰色部分代表固体壁，蓝色部分代表流体。模型的上半部分显示了歧管中的流体，本图未显示歧管的固体壁;(c) FR-MC单位;(d) R-MC单元。
本节给出了不同流速下FR-MC和R-MC的模拟结果。随后，研究了纵向流速对热阻的影响。如图2所示，对比了不同通道的等效热阻差。结果表明:当流速从0.2 m/s增加到1 m/s时，R-MC的热阻从54.7 mm2 K/W降低到30.5 mm2 K/W;同样，FR-MC的热阻从34.1 mm2 K/W降低到16.8 mm2 K/W。综上所述，与R-MC相比，FR-MC的热阻降低了45%，这表明FR-MC的热阻明显低于R-MC，表明传热性能有了实质性的改善。R-MC和FR-MC的热阻均随流速的增加而减小。当流体流过通道时，流速增大导致流体与壁面之间的速度边界层δ厚度减小。热边界层的厚度δt也随流速的增加而减小。值得注意的是，对流换热系数h由热边界层厚度决定，即厚度减小导致对流换热系数增大，对流换热系数增大导致热阻减小。
图2 热阻随流速的变化。H为1mm, W为0.5 mm。热流密度为100W /cm2 。
为了解释FR-MC中热阻降低的现象，我们对横肋前后截面的温度分布进行了对比分析，如图3所示。图3 (a0)-(b0)对FR-MC和R-MC的流线图进行了检查，可以看到R-MC的流体从入口流向出口是通畅的，而FRMC的中间部分出现了两条交叉的肋，使得流体在通过时发生旋转，从而在上下部分之间进行流体交换。FR-MC和R-MC在通道前后四分之一截面上的温度分布分别如图3 (a1)-(b1)和图3 (a2)-(b2)所示。热流密度为100 W/cm2 ，流速调节为0.2 m/s。此外，流体在长度方向上的截面温度分布如图3 (a3)-(b3)所示。对比图3(a2)和图3(b2)同一截面FR-MC和R-MC的温度分布，FR-MC的温度比R-MC降低了20 K。这一发现与图7的结果一致。
从图3(a0)的流线可以看出，流体从进气道进入后，在通道前半部分，一部分流体沿右侧斜肋上升，另一部分流体沿左侧斜肋下降。当流体流经通道中部时，流体穿过十字肋之间的三角形区域，引起旋转。由于挤压，流体的速度增加，旋转强度提高，这可以从图3(a0)流线的红色部分观察到。在通道的后半部分，在前部上升的流体向左侧流动，然后沿着左侧肋向下流动，而在前部下降的流体向右侧流动，然后沿着右侧肋向上流动。通过在FR-MC中设置横肋，促进了上下流体的交换和流体冷热部分的混合。
通过对通道前后截面温度的比较，进一步探讨了FR-MC传热能力增加的原因。分析图3(b1)和图3(b2)的RMC截面温度分布可以发现，后截面温度高于前截面温度。此外，后部壁面附近的流体温度与入口处的流体温度相比有不同程度的升高。出现这些现象是因为在R-MC中，随着长度的增加，较高温度的流体继续集中在底部和两侧壁面附近，导致传热性能减弱。
图3(a1)和图3(a2)的分析表明，FR-MC在进口和出口截面的温度大致相同，并且在长度方向上不产生温度梯度。这是由于流体经过横肋旋转后，温度较高的流体的下部和温度较低的流体的上部发生交换，有利于流体的冷热部分混合。它打破了两侧和底部的热边界层，从而提高了传热性能。图3 (a3)-(b3)所示的详细检查进一步证实了FR-MC的优越性能，因为它显示了与R-MC相比，沿长度方向的温度梯度有所缓解。
图3 流线和温度分布。(a0)-(a3) FR-MC;(b0)-(b3) R-MC;(a0)-(b0)流线;(a1)-(b1)锋面温度分布;(a2)-(b2)背面温度分布;(a3)-(b3)截面在长度方向的温度分布。
FR-MC热阻随不同通道高度和宽度流速的变化如图4和图5所示。结果表明，与相同结构的RMC相比，不同高度和宽度的RMC的热阻降低了16% ~ 50%。值得注意的是，在所有高度和宽度下，随着流速的增加，热阻都有减小的趋势，在较低流速下，这种趋势尤为明显。在研究的几何参数中，FR-MC在高度为2mm、宽度为0.5 mm、流速为1m /s时的热阻值最低，为14.4 mm2 K/W。假设电子设备在运行过程中温升不超过60k，理论上FR-MC可以有效管理热流密度为400w /cm2 的电子设备的散热。
图4 高度和流速对FR-MC热阻的影响。W为0.5 mm，热流密度为100W /cm2 。
图5 宽度和流速对FR-MC热阻的影响。H为1mm，热流密度为100W /cm2 。
对比分析了通道前后的温度分布和流体流动，如图6所示。宽度分别为0.375 mm、0.625 mm和0.875 mm的FR-MC如图6 (a0)-(a2)、(b0)-(b2)和(c0)-(c2)所示。图6 (d1)-(d2)和图6 (e0)-(e2)显示的R-MC宽度分别为0.375 mm和0.875 mm，高度均为1 mm，流速为0.2 m/s。后端二次流如图6 (a0)-(c0)所示，前、后端温度分布分别如图6 (a1)-(e1)和图6 (a2)-(e2)所示。
图6(b0)-(c0)显示，与图6(e0)中的R-MC相比，更宽的FR-MC中存在较强的流体旋转。而在宽度为0.375 mm的FR-MC中，旋转强度较小。结果表明，增加FR-MC的宽度和增加交叉肋的厚度，增强了流经交叉肋的流体的旋转，从而促进了流体冷热部分的交换，减小了热阻，从而增强了换热能力。通道内的温度分布受流体流动特性变化的影响。如图6(b2)所示，在后部宽度为0.625 mm的截面中间温度分布不均匀，而两侧温度较高。反之，当宽度为0.875 mm时，温度分布更加均匀，两侧温度较高的区域明显减小，如图6(c2)所示。这些结果表明，宽度的增加促进了流体的交换和混合，从而降低了热阻比，提高了FR-MC的换热性能优势。
图6 不同宽度进出口附近的二次流和温度分布。(a0)-(a2) FR-MC, W = 0.375 mm;(b0)-(b2) FR-MC, W = 0.625 mm;(c)-(c) FR-MC, W = 0.875 mm;(d1)-(d2) R-MC, W = 0.375 mm;(e0)-(e2) R-MC, W = 0.875 mm;(a0)-(c0)出口附近二次流;(a1)-(e1)入口附近温度分布;(a2)-(e2)出口附近的温度分布。H为1mm，热流密度为100W /cm2 。
本文提出了一种新型的流体旋转微通道散热器。采用三维有限元模拟方法研究了管内流动和对流换热特性。并进行了实验验证。得出以下结论。
(1) FR-MC的换热效率高于R-MC。具体来说，在高度为1mm，宽度为0.5 mm，流速相同的情况下，FR-MC的热阻比R-MC低45%。
(2)交叉肋在通道的横截面上引起流体旋转，从而改善了流体的冷热部分之间的混合。因此，热边界层被有效地消除。
(3)随着通道高度的减小和流速的增大，FR-MC的增强作用更为明显。观察到一个最佳通道宽度，超过该宽度后，由于混合减弱，增强减弱。通过优化高度和宽度参数，FR-MC的热阻比R-MC降低了50%。
(4)考察了FR-MC的实用性。实验验证的FR-MC在工作过程中温升不超过60 K的要求下，可以处理热流密度为250 W/cm2 、流速为0.4 m/s的电子器件的散热。理论上，改变几何参数的FR-MC可以满足高达400W/cm2 的散热要求。
转自Case Studies in Thermal Engineering
论文信息：Yu Fan , Chuan Chen , Rong Fu , Qidong Wang , Liqiang Cao , Xinhua Chen , Meiying Su , Yikang Zhou , Weihai Bu , Kai Zheng , Jin Kang.Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urban Rail Transit Vehicles, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing, 100044, China
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.csite.2024.104390
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主讲老师：何伟，南京工业大学制药工程系主任，教授，博士生导师，主持“十三五”重点研发计划课题/子课题、国家自然科学基金面上项目、军委科技委国防科技创新项目、江苏省重点研发计划、教育部产学研协同育人项目等科研项目10余项，与中国石化、陕西煤业、中建安装、京博集团等企业开展产学研合作，以通讯、第一作者身份在Appl. Catal. B、Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文30篇，入选高被引文章1篇；获授权美国专利2项，中国发明专利40余项，其中10余件获得工业化应用，经济社会效益显著；2022年、2016年分别获中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖，2020年获中国化工学会基础研究成果奖一等奖。
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