论文信息：
Qifeng Zhu, Kunpeng Chang, Junjie Chen, Xinmin Zhang, Huixue Xia, Hongwei Zhang, Hua Wang, Haixia Li, Yangyang Jin, Characteristics of heat transfer and fluid flow in microchannel heat sinks with rectangular grooves and different shaped ribs，Alexandria Engineering Journal (2020).
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.aej.2020.08.014
Part.1
研究背景
随着微电子系统功率密度的快速提高和器件小型化趋势加剧，高效散热技术成为保障电子器件性能和可靠性的关键瓶颈。微通道散热器因其水力直径小、比表面积大等固有优势，被认为是电子系统冷却的有效方案。然而，传统光滑直线型微通道散热器的冷却能力已无法满足高密度微电子元件的散热需求。现有研究表明，在微通道侧壁设置肋条可以中断流动和热边界层、增强冷热流体混合，从而显著提高传热性能，但同时会带来较大的压降惩罚；而凹槽或腔体结构则因增大过流面积、降低流速，可在增强传热的同时有效减小压降。将肋与凹槽组合使用，有望兼顾两者优势，实现传热增强与压降降低的协同优化。然而，目前尚不清楚哪种通道形式在提高综合性能方面最为有效，肋的结构形式及其几何参数对整体性能的影响规律仍需进一步研究。
Part.2
研究内容
本文针对带侧壁矩形沟槽、中心布置不同肋形的硅基微通道散热器开展三维数值模拟，目标是优化通道结构，实现强化传热同时降低流动阻力与压降。揭示沟槽‑肋组合的流场机理，对比光滑直通道、纯矩形沟槽通道、四种不同肋形的复合通道内部流动结构与阻力特性。图1为微通道散热器三维计算域与 6 种通道结构示意图，其中 (a) (b) 分别展示光滑直通道、矩形沟槽通道的对称计算单元，(c) 展示矩形肋、菱形肋、椭圆肋、前三角肋以及纯沟槽、光滑直通道的截面构型与几何标注参数（表1）。图2展示光滑直通道、矩形沟槽通道、菱形肋沟槽通道的典型 x‑y 平面网格，用于网格无关性验证；经测试，总网格节点 62 万时，压降、努塞尔数相对误差控制在 2% 以内，满足计算精度（表2）。将光滑通道仿真得到的平均努塞尔数、泊泽维尔数随雷诺数变化曲线和文献实验数据对比（图3），数值结果与实验吻合，证明模型可靠。
图 1 计算域与通道结构示意图
(a)光滑直通道; (b)矩形沟槽通道; (c)矩形肋、菱形肋、椭圆肋、前三角肋以及纯沟槽、光滑直通道的截面构型。
表 1 微通道散热器的几何参数
图 2 光滑直通道、矩形沟槽通道、菱形肋沟槽通道的典型 x‑y 平面网格
表 2 网格节点数为126万时，压降和努塞尔数及其相对于最细网格的总误差
图 3 雷诺数对光滑直线通道平均努塞尔数和普塞耶数的影响
由顺流向速度云图（图4）可见：光滑通道流体沿轴向均匀流动；纯矩形沟槽通道流体流入沟槽形成扁平涡；加入肋之后流体被肋分割，冲击进入沟槽，打碎沟槽内大尺度停滞涡，减小流动死区；矩形肋后方生成一对明显对称涡，菱形、三角形肋涡尺度更小，椭圆肋几乎无明显回流涡。横向速度等值线（图5）进一步体现肋的存在改变横向流动分布，强化冷热流体掺混。
图 4 顺流方向流道内流体速度等值线图
图 5 横向通道内流体速度等值线图
所有构型摩擦系数均随雷诺数升高先快速下降后趋于平缓（图6）；矩形肋沟槽通道摩擦系数最高，流动阻力最大；纯矩形沟槽通道摩擦系数最低。
图 6 肋形对微通道散热器平均扇宁摩擦因数的影响
图7为雷诺数 700 下通道内压力等值线，肋的迎流面形成高压区，矩形肋造成的局部压力跃升最显著。图 8为通道压降随雷诺数变化曲线，压降随雷诺数增大单调上升；矩形肋沟槽通道压降远高于其余构型，椭圆、菱形、前三角肋通道压降差距较小，纯沟槽通道压降最小。综合以上图表说明：沟槽可以降低流动阻力，肋会带来额外流动损失；肋形直接改变通道内涡结构、压力分布，矩形肋对流动扰动最强，同时带来最大压降代价。
图 7 雷诺数 700 下通道内压力等值线图
图 8 进口处通道压降随雷诺数的变化图
在流动分析基础上，研究不同通道的温度场、努塞尔数、受热面温度，评价换热能力。图9为雷诺数 700 时各通道的温度等值线云图。光滑直通道热边界层连续发展，高温区域范围最大；纯沟槽通道通过边界层中断实现部分降温；沟槽‑肋复合通道整体温度更低；矩形肋沟槽通道低温区域占比最大，换热效果最好。图10给出底部受热面平均温度随雷诺数变化曲线，受热面温度随雷诺数增大快速下降，高雷诺数下下降幅度放缓；相同雷诺数下矩形肋沟槽通道底面平均温度最低，前三角肋通道底面温度在带肋结构中最高。图11为平均努塞尔数随雷诺数变化曲线，努塞尔数随雷诺数增加持续升高；矩形肋沟槽通道努塞尔数最高，光滑直通道最低。图12为各类通道的流‑固耦合接触面积柱状图，矩形肋沟槽通道换热面积最大；前三角肋换热面积大于椭圆肋、菱形肋，但是换热性能更差，证明换热面积不是决定传热性能的唯一因素，流体扰动、涡掺混起到关键作用。以上结果表明，肋‑沟槽复合结构能够破坏热边界层，增强冷热流体混合，显著提升换热；低雷诺数条件下矩形肋换热优势突出，但高雷诺数下压降带来的劣势逐步显现。
图 9 进口雷诺数为700时通道内温度等值线图
图 10 进气道底部受热面平均温度随雷诺数的变化曲线
图 11 进口处平均努塞尔数随雷诺数的变化规律
图 12 所有类型通道的流体相与固相接触表面积
采用相对努塞尔数、相对摩擦系数、热增强效率，综合权衡换热收益与流动阻力代价。图13为相对努塞尔数随雷诺数变化，矩形肋沟槽通道相对努塞尔数最高，纯沟槽通道最低。图14是相对范宁摩擦系数，矩形肋沟槽通道相对摩擦系数显著高于其余结构，其余三种肋通道摩擦系数接近。图15为热增强效率曲线，热增强效率指标同时考虑换热强化和压降惩罚；雷诺数小于 500 时矩形肋沟槽通道热增强效率最优；雷诺数大于 500 之后椭圆肋综合性能反超矩形肋；雷诺数大于 700 后菱形肋性能优于矩形肋。该结果说明不存在绝对最优肋形，最优构型受雷诺数工况影响。
图 13 进口处相对努塞尔数与雷诺数的关系图
图 14 相对扇宁摩擦系数随进气道雷诺数的变化关系
图 15 进口处热增强效率随雷诺数的变化关系
由于 Re＜500 时矩形肋沟槽通道综合性能最佳，进一步选取该构型开展参数优化，研究肋相对宽度、最小肋‑槽距离的影响。图16为不同雷诺数下平均范宁摩擦系数随肋相对宽度变化，摩擦系数随肋相对宽度增大而升高。图17为雷诺数 300 时，肋相对宽度 0.1 与 0.3 条件下的压力、速度等值线；肋相对宽度越大，肋前高压低速区越明显，肋后回流涡尺度增大。图18为平均努塞尔数随肋相对宽度变化，努塞尔数随肋相对宽度增加上升。图19为热增强效率随肋相对宽度变化；在本文参数范围内，雷诺数 500、肋相对宽度 0.25 时热增强效率达到峰值。
图 16 进口不同雷诺数下平均扇宁摩擦系数随肋相对宽度的变化
图 17 不同肋部相对宽度下顺流方向通道内流体压力和流体速度等值线图
图 18 进口不同雷诺数下肋部相对宽度的平均努塞尔数函数图
图 19 进口不同雷诺数下肋部相对宽度的热增强效率函数图
图20包含 (a) 不同雷诺数下平均范宁摩擦系数随最小肋‑槽距离变化曲线与 (b) 最小肋‑槽距离定义示意图；摩擦系数随肋‑槽距离增大呈现先降低后升高的变化规律。图21为平均努塞尔数随最小肋‑槽距离变化，该参数对努塞尔数影响程度有限。图22为热增强效率随最小肋‑槽距离变化曲线；雷诺数 500，肋相对宽度 0.25、最小肋‑槽距离 0.1 mm 时，热增强效率取得最大值。综合参数优化结果，得到该结构的最佳几何组合。
图 20 进口不同雷诺数下平均范宁摩擦系数与最小肋槽距离的关系图
（a)平均范宁摩擦系数作为最小肋槽距离的函数;（b)本研究中定义的最小肋槽距离示意图
图 21 进口不同雷诺数下平均努塞尔数与最小肋槽距离的关系图
图 22 进口不同雷诺数下的热增强效率与肋槽最小距离的关系图
Part.3
研究总结
本文采用CFD数值模拟，对雷诺数100‑900范围内，侧壁矩形沟槽搭配矩形、菱形、椭圆、前三角形肋的硅基微通道散热器开展层流流动与传热仿真，分析流场、温度场，对比热水力性能并完成几何参数优化，研究发现了矩形沟槽与肋的复合结构可以结合两者优势：肋强化流体扰动增强换热，沟槽扩大流通面积抑制压降上升，综合性能优于单独沟槽或单独肋结构。沟槽内部形成的涡能够改变摩擦形式，降低流动阻力，同时中断热边界层，强化冷热流体混合。肋形对散热器整体性能影响显著。雷诺数小于 500 时矩形肋综合性能最优；雷诺数大于 500 椭圆肋性能更优；雷诺数大于 700 时菱形肋性能超过矩形肋。针对矩形肋‑矩形沟槽通道，增大肋相对宽度会同时提升努塞尔数与摩擦阻力；最小肋‑槽距离对努塞尔数影响较小，但显著改变流动阻力；肋相对宽度 0.25、最小肋‑槽距离 0.1 mm、雷诺数 500 条件下该通道综合性能达到最优。研究结果可为微电子冷却领域微通道散热器的结构设计提供参考。
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