采用拓扑优化改善不同肋微通道的流动和传热性能
采用拓扑优化改善不同肋微通道的流动和传热性能
微通道是解决基于强制液冷的电子器件高集成度散热问题的重要技术。本文采用拓扑优化方法，设计了适用于不同形状微通道的自适应肋片结构，显著提升了流动和传热性能。研究结果表明，拓扑优化肋片在保持较低压降的同时，能有效促进流体混合，减少低速区域，从而提高传热效率。
研究背景
微通道是解决基于强制液冷的电子器件高集成度散热问题的重要技术。在这项工作中，引入了拓扑优化方法，以在直微通道、波状微通道和具有扇形凹腔的微通道中生成自适应肋形状和排列。数值模拟表明，拓扑优化的肋片可以有效促进传热。特别是在波状微通道中，拓扑优化肋条的通道底部平均温度比方形肋条、圆形肋条和无肋条分别提高了27.0%、30.1%和71.4%。当通道形状不同时，具有拓扑优化肋条的微通道的压降比方形肋条微通道低64%、45%和36%，比圆形肋条微通道低51%、39%和28%分别是直形、波浪形和扇形凹腔。上述结果归因于拓扑优化肋的形状和布置，促进了流体混合并减少了低速区域。具有拓扑优化肋的微通道对于所有通道形状始终具有卓越的流动和传热性能。具有拓扑优化肋的波形微通道具有最佳的综合性能，这得益于拓扑优化肋在波形微通道中的良好适应性。
研究内容
为了克服在拓扑优化中使用三维强制对流换热模型时的高计算量，Haertel等人使用伪3D模型将3D模型简化为两层模型。在该模型中，仅保留顶层和底层（图1）。顶层代表流体和肋骨。底层代表坚实的基础。在顶层内部，捕获流体和肋片之间的对流热传递。在底层内部，仅考虑热传导。两层通过流体与基底之间的对流传热以及肋与基底之间的热传导来连接。曾等人验证了伪3D模型的准确性，发现伪3D模型能够很好地表示3D模型中的传热过程，并且温度偏差仅在1℃以内。因此，在这项工作中，利用伪 3D 模型对微通道中的肋进行拓扑优化。
图1.伪3D模型。
图2所示为直微通道中计算域的示意图。微通道的宽度为0.5mm，总长度为20mm。中间10mm的区域是设计域。设计域前后设置入口延伸域和出口延伸域，分别消除入口效应和出口回流效应。微通道和肋的高度（沿 z 方向）为 1.5 mm。在这项工作中，我们选择水作为流体，选择硅作为底座和肋的材料。
图2.直微通道中的计算域示意图。
图3显示了不同流体入口速度下四个直微通道的压降变化。流体入口速度设置为0.1 m/s、0.15m/s、0.2 m/s、0.25 m/s和0.3 m/s，对应的Re值分别为16.78、25.17、33.55、41.94和50.34。还计算了沿流动方向的Re数，其范围为30至90。可以发现，在所有直微通道中，Δp随着流体入口速度的增加而增加。无肋的通道可实现最低的 Δp。这是因为肋阻碍了流体流动，导致泵送功率急剧增加。SC2 的 Δp 最高，这归因于方肋微通道对流体扰动和阻塞的影响最显着。另外，SC1的Δp高于SC0，但与SC2和SC3的Δp相比分别降低了64%和51%。这一结果表明，当微通道配备肋片时，拓扑优化肋片对微通道内压降的影响最弱。
图3.不同流体入口速度下直微通道压降的变化。
为了分析不同肋条对微通道流动特性的影响，三个肋条微通道的速度云图如图4（a）所示。可以看出，由于肋的增加，速度分布不均匀。肋条的阻塞导致有肋条的微通道中的压降总是高于无肋条的微通道的压降。当肋形状为方形或圆形时，肋两侧的速度增大到较大值，而肋前后的速度较小，小于0.1 m/s，甚至为零。肋条前后低速区的形成是流体滞流和回流的结果。对于具有拓扑优化肋的微通道，很少观察到低速区域，并且存在连续的大流速主流流体流过微通道。可以注意到，通道中拓扑优化肋的形状是狭窄的梯形。流体可以轻松分开，而不会产生涡流和回流，这有助于通过拓扑优化的肋条降低微通道中的压降。图 4 (b) 显示了三个带肋微通道的局部流线。显然，具有拓扑优化肋的微通道内的流线是平滑的，表明流体流动有序且稳定。而带有方形和圆形肋条的微通道中的流线会受到肋条的干扰，导致肋条背面产生涡流和回流。对于SC1，流体很容易被拓扑优化的肋分开，这减少了流体的停滞并中断了流动边界层。当流体流动时，一侧的一部分流体通过肋条之间的间隙到达另一侧，有利于流体混合。当流体继续流动时，主流流体改变流动位置，从而进一步混合流体。与具有方形和圆形肋条的微通道中的流体流动行为相比，具有拓扑优化肋条的微通道中的这些流体流动行为有利于降低压降。
图4 . (a) 具有拓扑优化肋、方形肋和圆形肋的直微通道的速度轮廓；(b)具有拓扑优化肋、方形肋和圆形肋的直微通道的局部流线。
为了研究拓扑优化肋片微通道内的强化传热机理，将三个肋片直通道的温度等值线绘制在图5中。可以发现，流体入口温度较低，流体出口温度较高适用于所有直微通道。入口和出口之间流体温度的升高归因于通道底部和肋片的高温传热。沿流体流动方向，流体和肋的温度逐渐升高。显然，由于肋条的对称分布，具有方形和圆形肋条的微通道的温度分布是对称的。由于肋条排列和肋条形状不规则，具有拓扑优化肋条的微通道的温度分布不均匀。不规则的肋排列中断了热边界层并促进了冷热流体的混合。拓扑优化肋条的长而窄的形状有利于流体的分离，可以减少低速区域，从而改善微通道的传热。
图5 .具有拓扑优化肋、方形肋和圆形肋的直微通道的温度轮廓。
为了分析具有拓扑优化肋的微通道中压降较低的原因，描绘了具有不同肋的复杂微通道的速度轮廓（图6（a））和局部流线（图6（b））。从两个复杂微通道的速度轮廓可以发现，对于所有带肋的微通道，设计域的速度是不均匀的。每个方形或圆形肋的正面和背面形成低速区域。肋前部低速区的形成是由于流体的停滞，肋后部低速区的形成是流体的回流和涡流。这些行为导致微通道中出现较大的压降。在具有拓扑优化肋条的微通道中，由于波状微通道中的新月形状和扇形凹腔微通道中的泪滴形状，肋条周围几乎没有低速区域。从图6（b）中复杂微通道的局部流线来看，流线受到肋的阻碍，特别是在具有方形和圆形肋的微通道中。可以看出，具有拓扑优化肋的微通道中的流线由于肋的形状而很容易分离。并且两部分流体很容易混合，增强了传热，同时降低了压降。此外，由于肋条阻塞较小，具有拓扑优化肋条的复杂微通道中的流体速度大于方形和圆形肋条的复杂微通道中的流体速度。
图6 .(a) 分别具有拓扑优化肋、方形肋和圆形肋的复杂微通道的速度轮廓。(b) 分别具有拓扑优化肋、方形肋和圆形肋的复杂微通道的局部流线。
具有不同肋的波状微通道的温度轮廓如图7（a）所示。可以看出，与波状微通道中的方形和圆形肋条相比，拓扑优化肋条达到高温的速度较慢，这表明拓扑优化肋条的微通道可以更好地被低温流体冷却。优异的热性能得益于拓扑优化后的新月形肋条，与波状微通道相适应，有利于充分传热。图7（b）显示了具有扇形凹腔的三个肋状微通道的温度轮廓。虽然方形和圆形肋条的微通道的肋条排列是对称的，而拓扑优化肋条的微通道的肋条排列是不对称的，但对于具有扇形凹腔的三个肋条微通道来说，温度分布没有太大差异。
图7 .(a) 具有不同肋的波状微通道的温度轮廓。
(b) 具有扇形凹腔和不同肋的微通道的温度轮廓。
总结与展望
本研究分别在直微通道、波状微通道和扇形凹腔微通道中基于拓扑优化方法获得了新的肋排结构。拓扑优化的肋条在微通道中分别为梯形、新月形和泪滴形，具有直线形、波浪形和扇形凹腔。结果证明，拓扑优化能够在直通道和复杂通道中生成自适应肋形状和排列。通过数值模拟评估所有通道的流动和传热性能。可以发现，拓扑优化的肋片可以有效地促进传热。特别是在波状微通道中，拓扑优化肋条的通道底部平均温度比方形肋条、圆形肋条和无肋条分别提高了27.0%、30.1%和71.4%。。当通道形状不同时，具有拓扑优化肋的通道的压降比方形肋的通道低64%、45%和36%，比圆形肋的通道低51%、39%和28%分别是直形、波浪形和扇形凹腔。较低的压降归因于拓扑优化肋的形状和布置，这促进了流体混合并减少了肋前后的低速区域。由于具有优异的传热特性和较低的压降，具有拓扑优化肋条的微通道对于不同的通道形状都表现出优异的流动和传热性能。对于三种形状的通道，具有拓扑优化肋的波状通道具有最佳的整体性能。拓扑优化的肋片可以打断边界层并促进流体混合，从而提高微通道的传热性能而不引起过多的压力损失。
本文原文来自《应用热工程》期刊