山東大學(xué)蘭欣IJHMT：微射流散熱器的多目標(biāo)優(yōu)化及性能分析

論文信息：

Xin Li, Xin Lan, Zhirun Shi, Gongming Xin, Yong Cheng,Multi-objective optimization and performance analysis of micro-jet heat sink with variable height pin fin and variable density jet orifice,International Journal of Heat and Mass Transfer 257 (2026) 128223.

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.128223

Part.1

研究背景

微納電子與功率半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)電子器件集成密度和功率密度持續(xù)提升，熱管理需求愈發(fā)迫切。如大功率激光晶體的熱流密度已超 150 W/cm2，未來或?qū)⒔咏?1000 W/cm2，微通道與微射流冷卻等技術(shù)成為核心解決方案。為優(yōu)化微通道散熱器性能，研究人員開發(fā)了翅片結(jié)構(gòu)、二次通道、變密度翅片等多種設(shè)計(jì)，雖在傳熱效率和溫度均勻性上取得提升，但普遍存在壓降同步增加的問題。開放微通道雖能降低壓降，卻缺乏與交替斜截通道的協(xié)同研究，針對(duì)性修改翅片上方間隙以進(jìn)一步減小壓降的相關(guān)探索也有待深入。射流沖擊冷卻雖能顯著降低熱阻，陣列射流表現(xiàn)更優(yōu)。但沿冷卻劑流動(dòng)方向的變密度射流孔分布與射流孔數(shù)量變化的耦合影響尚未明確，且以非均勻翅高、變射流孔間距等為輸入?yún)?shù)，兼顧傳熱效率、壓降與溫度均勻性的協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化研究仍存在空白，亟需開展相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究以填補(bǔ)缺口。

Part.2

研究?jī)?nèi)容

本研究將射流沖擊與微通道相結(jié)合，探究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)混合式微射流散熱器熱工水力性能的影響。下面圖1介紹了散熱器的3D仿真模型。圖2介紹了傳統(tǒng)矩形翼片和擬議的流動(dòng)導(dǎo)向翼片的結(jié)構(gòu)，以及適用于這兩種翼片類型的三種翼片高度變化方案。圖3展示了基于 FG-BDH 基準(zhǔn)構(gòu)型修改后的射流孔構(gòu)型。

圖1(a)散熱器的3D仿真模型;（b）散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)節(jié)。

圖2 (a)針鰭的三種高度方案;（b）針鰭的具體尺寸。

圖3 不同的噴孔分布形式：（a）噴孔均勻分布;（b）噴孔變密度分布。

本研究的計(jì)算模型與方法如下：數(shù)值模擬選用 Realizable k-ε 湍流模型結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。假設(shè)流體為單相湍流、穩(wěn)態(tài)且不可壓縮，忽略輻射傳熱與自然對(duì)流。通過流體和固體區(qū)域的守恒方程求解，采用耦合方案進(jìn)行壓力 - 速度耦合，壓力、動(dòng)量和能量方程用二階迎風(fēng)格式離散。其他方程用一階迎風(fēng)格式，連續(xù)性、湍流和動(dòng)量方程收斂判據(jù)設(shè)為 10?3，能量方程為 10??。邊界條件方面，沖擊射流入口為速度入口、出口為壓力出口，加熱底壁施加恒定熱流密度，固液界面為界面耦合熱條件與無滑移邊界。其余外表面絕熱，冷卻劑為去離子水，傳熱基底由 H62 黃銅翅片與 PMMA 射流板組成。通過相關(guān)公式計(jì)算平均努塞爾數(shù)、平均傳熱系數(shù)、水力直徑、底壁溫度標(biāo)準(zhǔn)差、進(jìn)出口壓降及雷諾數(shù)等核心指標(biāo)。計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，固液界面保持 y?<2，經(jīng)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證選定 Grid3 的網(wǎng)格劃分策略，同時(shí)通過重現(xiàn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的可靠性。

圖4 (a)VD-BDH整體網(wǎng)格分布;（b）體積網(wǎng)格劃分細(xì)節(jié);（c）傳熱面網(wǎng)格劃分。

圖5 (a)Guo等人對(duì)TBW進(jìn)行驗(yàn)證；(b)與Cui等人進(jìn)行的ΔP驗(yàn)證。

為探究翅高變化及變高與變密度導(dǎo)流翅片的耦合作用對(duì)沖擊射流流動(dòng)熱工水力特性的影響。研究五種構(gòu)型方案對(duì) Nu、ΔP 和 σ 的影響發(fā)現(xiàn)：所有構(gòu)型 Nu 值均較高且差距小，這是因高速?zèng)_擊射流產(chǎn)生的強(qiáng)烈湍流和剪切效應(yīng)緩解了流體動(dòng)力邊界層限制，翅高變化對(duì)傳熱效率影響較小。變高翅片構(gòu)型能增強(qiáng)三維流動(dòng)效應(yīng)、改善冷卻劑混合，其中 Re=530 時(shí) R-BDH 構(gòu)型較 R-FH 和 R-LGH 構(gòu)型壓降分別降低 22.28% 和 24.60%。FG-BDH 構(gòu)型較 R-FH 壓降降低 29.31%-30.37%，σ 降低 21.97%-26.09%，R-BDH 構(gòu)型較 R-FHσ 降低 6.2%。評(píng)價(jià)準(zhǔn)則h/ΔP顯示 FG-BDH 構(gòu)型整體性能最優(yōu)。ΔP 分布、溫度分布及速度分布相關(guān)圖表表明，F(xiàn)G-BDH 構(gòu)型通過導(dǎo)流翅片與變高特性的協(xié)同作用。實(shí)現(xiàn)了更均勻的壓降分布、更低的通道中部溫度（311K 以下）和更優(yōu)的流速分布，還能將通道壓降控制在 19kPa 以下。而 R-FH 構(gòu)型存在流動(dòng)路徑單一、阻力集中等問題，R-LGH 構(gòu)型則水力阻力較高、橫截面空間利用不充分。

圖6 不同針鰭結(jié)構(gòu)的影響：（a）Nu;（b）ΔP;（c）σ;（d）h/ΔP

圖7 不同針鰭結(jié)構(gòu)的壓力輪廓：（a）噴射孔中心部分（X = 0.2 mm）;（b）鰭部分（X = 0.45 mm）。

圖8 通道底部不同針鰭結(jié)構(gòu)的溫度輪廓。

圖9 X-Y平面上不同針鰭結(jié)構(gòu)的速度輪廓（Z = 0.335 mm）。

圖10 不同針鰭結(jié)構(gòu)的速度剖面輪廓：（a）噴射孔中心部分（X = 0.2 mm）;（b）鰭部分（X = 0.45 mm）。

為探究射流孔布置對(duì)散熱器熱工水力性能的影響，研究六種噴嘴構(gòu)型（UD-7/8/9、VD-7/8/9）發(fā)現(xiàn)，Nu 和 ΔP 均隨 Re 升高而增加，σ 隨 Re 升高而降低。UD 構(gòu)型 Nu 略高（8 排較其他布局提升 4.00%-5.31%），而 VD 構(gòu)型在壓降控制和溫度均勻性上更具優(yōu)勢(shì)，VD-8 相較于 UD-8 溫度均勻性提升 34.64%-48.03%，VD-7 和 VD-9 因射流孔排位置優(yōu)化表現(xiàn)更優(yōu)，綜合性能以 VD-7 最優(yōu)。Re=530 時(shí)的相關(guān)圖表顯示，VD 構(gòu)型流體動(dòng)量分布更均勻、中心區(qū)域壓力峰值更低，且排數(shù)越多動(dòng)量均勻化效果越顯著，9 排構(gòu)型壓力梯度降低最優(yōu)，其加熱表面溫度變化更平緩，奇數(shù)排 VD 構(gòu)型能增強(qiáng)中心區(qū)域動(dòng)量傳遞、抑制局部渦旋，翅片表面附近速度均勻性更優(yōu)，而 UD 構(gòu)型存在射流間干擾強(qiáng)、流線不規(guī)則等問題。

圖11 不同噴孔排列的影響：（a）Nu;（b）ΔP;（c）σ;（d）h/ΔP。

圖12 不同噴孔布置的壓力輪廓。

圖13 不同噴口布置的底壁溫度輪廓。

圖14 不同噴孔布置的速度剖面輪廓和流線分布：（a）噴孔中心段（X = 0.2mm）;（b）鰭片段（X = 0.45mm）。

為實(shí)現(xiàn) FG-BDH 構(gòu)型綜合性能提升，本研究建立了含 8 個(gè)神經(jīng)元隱藏層的 PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。以 ΔH_f、ΔL_jet、N_jet-r 為輸入?yún)?shù)，ΔT、ΔP、σ 為輸出參數(shù)，基于 130 組數(shù)值模擬案例訓(xùn)練后，模型在訓(xùn)練、驗(yàn)證和測(cè)試階段均表現(xiàn)出高擬合精度（R2 值接近 1）。隨后結(jié)合 NSGA-II 算法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以最小化 ΔT、ΔP、σ 為目標(biāo)。在設(shè)定設(shè)計(jì)變量范圍和算法參數(shù)后獲得帕累托最優(yōu)解，通過 TOPSIS 方法（各目標(biāo)權(quán)重均為 1/3）篩選出最優(yōu)折中方案（TOPSIS_best）。其相較于初始 FG-BDH 構(gòu)型溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低 30%、壓降僅增加 7.24%，且綜合性能優(yōu)于 R-FH 構(gòu)型，經(jīng) CFD 驗(yàn)證，所有解的相對(duì)誤差均低于 5.78%，模型可靠性良好。

圖15 PSO-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

圖16 決定系數(shù)（R2）：（a）訓(xùn)練集;（b）驗(yàn)證集;（c）測(cè)試集;（d）總集。

圖17 目標(biāo)參數(shù)實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的吻合曲線。

圖18 帕累托前沿分布的三目標(biāo)優(yōu)化。

圖19 優(yōu)化設(shè)計(jì)與初始設(shè)計(jì)的性能比較。

為探究穩(wěn)壓腔對(duì)散熱器壓降的影響，基于 R-FH 和優(yōu)化后的 FG-BDH 建立含穩(wěn)壓腔的模型并開展實(shí)際工況下的性能研究。結(jié)果顯示，不同 Re 下穩(wěn)壓腔內(nèi)壓降占系統(tǒng)總壓降的 20%-35%，且相同 Re 時(shí)兩種散熱器結(jié)構(gòu)在添加穩(wěn)壓腔前后的壓降增加幅度相近，說明穩(wěn)壓腔內(nèi)壓降對(duì)翅片參數(shù)變化敏感性極低。與現(xiàn)有優(yōu)化結(jié)構(gòu)和單排射流結(jié)構(gòu)相比，帶穩(wěn)壓腔的 FG-BDH 雖 Nu 顯著提升，但存在壓降大幅增加的典型射流沖擊冷卻系統(tǒng)特征。

圖20 整體模型和壓力下降。

Part.3

研究總結(jié)

本研究通過數(shù)值模擬對(duì)比分析了三種翅高構(gòu)型與兩種翅片類型的熱工水力性能，提出變密度射流孔布置策略。建立 PSO-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 NSGA-II、TOPSIS 結(jié)合的預(yù)測(cè)優(yōu)化框架，并探究了穩(wěn)壓腔對(duì)優(yōu)化后 FG-BDH 結(jié)構(gòu)壓降的影響。核心結(jié)論如下：矩形與導(dǎo)流翅片在三種翅高方案下傳熱效率相當(dāng)，F(xiàn)G-BDH 構(gòu)型較 R-FH 壓降降低 29.31%-30.37%、溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低 21.97%-26.09%。UD 構(gòu)型傳熱效率略高，而 VD 構(gòu)型在壓降控制和溫度均勻性上更具優(yōu)勢(shì)，VD-7 為最優(yōu)射流孔布局。TOPSIS 最優(yōu)折中方案較初始 FG-BDH 溫度標(biāo)準(zhǔn)差降低 30%、壓降僅增加 7.24%，且綜合性能優(yōu)于 R-FH。穩(wěn)壓腔內(nèi)壓降占系統(tǒng)總壓降的 20%-35%，其與翅片參數(shù)變化敏感性極低。

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