先進冷卻系統中納米流體波紋微通道散熱器的熱工水力性能實驗與數值分析

論文信息：

Nehad Abid Allah H, Isam Mejbel Abed, Nejla Mahjoub Said. Experimental and numerical analysis of hydrothermal performance in wavy microchannel heat sink with nanofluids for advanced cooling systems. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, (2026).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s10973-025-15186-5

PART1

研究背景

隨著電子設備向高集成度、微型化方向快速發展，其工作熱流密度持續攀升，傳統散熱方式已難以滿足高效熱管理需求，成為制約電子系統壽命與性能提升的核心瓶頸。微通道散熱器（MCHS）憑借緊湊結構與高換熱效率，成為解決高熱流密度散熱問題的重要方案，但傳統矩形微通道散熱器（RMCHS）傳熱效率有限，且現有研究多單獨探索波紋通道或空腔結構的強化作用，缺乏復合結構與納米流體協同作用的系統研究。同時，不同結構散熱器的性能對比多缺乏相同工況下的直接驗證，難以精準評估優化效果。基于此，有必要設計融合波紋壁與三角形空腔的復合結構微通道散熱器，并結合納米流體工質開展實驗與數值分析，為下一代電子設備提供高效、可靠的冷卻解決方案。

PART2

研究內容

圖 1 展示了研究的核心微通道散熱器模型。圖 1 (a) 為帶三角形腔體的波紋微通道散熱器（WMCHS-WTC）的三維結構，其獨特的波紋壁與三角形腔體組合可增強流體混合并破壞熱邊界層；圖1(b)為傳統矩形微通道散熱器（RMCHS）的三維結構，作為基準模型用于性能對比；圖1(c) 呈現了 WMCHS-WTC 的俯視圖，清晰展示了三角形腔體的分布規律。兩種模型的關鍵尺寸參數通過 SOLIDWORKS 2022 設計確定，為后續實驗與數值分析提供了基礎幾何依據。

圖 1. 微通道散熱器結構示意圖：（a）帶三角形腔體的波紋微通道散熱器（WMCHS-WTC）；（b）矩形微通道散熱器（RMCHS）；（c）WMCHS-WTC 的俯視圖（展示腔體分布）

圖 2 展示了實驗測試段的設計與裝配情況。圖 2 (a) 為測試段的各個組成部件，包括銅塊、加熱棒固定座、進出口集管、熱電偶等關鍵組件；圖 2 (b) 為測試段的裝配視圖，體現了 WMCHS-WTC 與 RMCHS 在同一測試段的集成設計，實現了相同工況下的同步對比測試。該雙模型測試段通過光纖激光雕刻與 CNC 銑削工藝加工，銅質散熱器保證高導熱性，Acetal 材質外殼兼具高剛度與低摩擦特性，亞克力頂蓋便于觀察流場，為實驗的準確性與可靠性提供了結構支撐。

圖2. SOLIDWORKS 2022設計的測試段模型：（a）測試段單個組件；（b）銅塊與外殼集成的裝配視圖

研究采用兩步法制備Al?O?/H?O納米流體，通過磁力攪拌1小時與30kHz超聲波分散2-4小時，在無需表面活性劑的情況下實現納米顆粒的均勻穩定分散，有效避免沉降與團聚問題。納米流體的熱物理性質（密度、比熱容、導熱系數、粘度）基于已建立的經驗關聯式計算，并通過SEM與TEM表征驗證了納米顆粒的形態與分散質量。實驗系統搭建了完整的流動回路，包括儲液罐、微型泵、流量計、換熱器、壓差傳感器等組件，實現了雷諾數（200-1000）、熱通量（50-200W）與納米流體體積濃度（0%-0.05%）的精確調控。

圖3. 微通道測試段的制備流程：（a）Acetal材質集管與加熱棒固定座的CNC銑削加工；（b）銅塊上的微通道激光雕刻與加熱棒安裝孔鉆孔；（c）測試段各部件實物圖；（d）兩種散熱器集成的測試段裝配實物圖

圖4. 實驗流動回路示意圖

圖5. 實驗裝置正視圖實物圖

圖6. 實驗裝置俯視圖實物圖

圖7. Al?O?納米顆粒的SEM表征圖

圖8. Al?O?納米顆粒的TEM表征圖

圖9. 納米流體兩步法制備流程

數值模擬采用COMSOL 6.0 CFD軟件，基于連續性方程、三維動量方程與能量方程求解流場與溫度場，假設流動為穩態、層流、不可壓縮且單相流，納米流體視為均質流體并采用恒定熱物理性質，固液界面施加無滑移邊界條件。網格獨立性分析表明，當采用 1,923,521 個單元的精細網格時，數值結果的誤差小于1%，兼顧計算精度與效率。通過與Feng等人的研究結果對比，速度場、溫度場及壁面溫度分布均呈現良好一致性，驗證了數值模型的可靠性。

圖10. WMCHS-WTC的網格生成結果：（a）三維網格；（b）正視圖網格；（c）俯視圖網格

圖11. 數值計算流程框圖

圖12. 數值模型驗證（與Feng等人研究對比）：（a）速度分布；（b）溫度分布（Re=663，熱通量400kW?m?2，x/L=0.625）

圖13. 局部壁面溫度分布的數值驗證（Re=663）

通數值模擬結果揭示了WMCHS-WTC的流動與傳熱特性。圖14展示了Re=1000、φ=0.075%時的速度分布，波紋壁與腔體的組合使流體在腔體區域前后形成減速區，在腔體中部形成加速區，中心區域速度最大，壁面附近出現滯止區，有效增強了對流換熱。壓力降分析表明，隨著納米流體濃度增加，WMCHS-WTC的壓力降略有上升，Re=200時濃度從0%增至0.05%的壓力升為0.76kPa，Re=600時達1.2kPa。與RMCHS 相比，WMCHS-WTC因表面面積增加與流動擾動增強，壓力降更高，但性能評價因子（PEF）顯著更優，其中WMCHS-WTC的PEF較基準RMCHS提升89%，體現了幾何結構的協同增效作用。溫度分布結果顯示，納米流體濃度增加可顯著降低最高溫度，濃度從0.025%增至0.075%時最高溫度降低5K。

圖14. WMCHS-WTC在Re=1000、φ=0.075%時x-y平面（z=0.3mm）的速度分布溫度點分布及熱阻網絡示意圖

圖15. Re=200時的壓力分布：（a）純水（φ=0%）；（b）Al2O3/H2O納米流體（φ=0.05%）

圖16. Re=600時的壓力分布：（a）純水（φ=0%）；（b）Al2O3/H2O納米流體（φ=0.05%）

圖17. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC與RMCHS的壓力降隨雷諾數變化關系

圖18. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC與RMCHS的平均摩擦系數隨雷諾數變化關系

圖19. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，不同微通道結構的性能評價因子（PEF）隨雷諾數變化關系

圖20. Re=800時，WMCHS-WTC在不同納米流體濃度下的溫度分布（x-y平面，z=0.3mm）：（a）φ=0.025%；（b）φ=0.05%；（c）φ=0.075%

實驗結果驗證了WMCHS-WTC的優越熱性能。在不同輸入功率（50W、150W、200W）下，WMCHS-WTC的平均壁溫均低于RMCHS，最大降溫幅度達30%（Re=1000、P=200W、φ=0.05%），且壁溫隨雷諾數增加與納米流體濃度升高而降低。努塞爾數（Nu）分析表明，WMCHS-WTC的Nu最大可達12.5（Re=1000、φ=0.05%、P=200W），較RMCHS（Nu=7.5）提升66%，且Nu隨熱通量、雷諾數與納米流體濃度的增加而增大。摩擦系數方面，WMCHS-WTC在0.04vol%濃度下較RMCHS高26%。熱阻測試顯示，WMCHS-WTC的最小熱阻為0.075℃/W（Re=1000、P=200W、φ=0.04%），顯著低于RMCHS的0.115℃/W。實驗與數值結果的對比表明，兩者趨勢一致，誤差在可接受范圍內，驗證了研究結論的可靠性。

圖21. 輸入功率50W時，平均壁溫隨雷諾數變化關系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖22. 輸入功率150W時，平均壁溫隨雷諾數變化關系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖23. 輸入功率200W時，平均壁溫隨雷諾數變化關系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖24. 熱通量50W時，平均努塞爾數隨雷諾數變化關系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖25. 熱通量150W時，平均努塞爾數隨雷諾數變化關系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖26. 熱通量200W時，平均努塞爾數隨雷諾數變化關系：（a）WMCHS-WTC；（b）RMCHS

圖27. 不同體積濃度下，WMCHS-WTC與RMCHS的平均摩擦系數實驗值與數值值對比

圖28. 200W輸入功率下，WMCHS-WTC與RMCHS的熱阻隨雷諾數變化關系（0.01vol%-0.04vol% Al2O3/H2O）

圖29. 0.05vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC 的平均壁溫實驗值與數值值對比

圖30. 0.04vol% Al2O3/H2O納米流體下，WMCHS-WTC與RMCHS的平均努塞爾數實驗值與數值值對比

研究通過與現有文獻的對比，凸顯了WMCHS-WTC的創新優勢。與Hung & Yan的雙層微通道、Wang等人的直微通道等設計相比，本研究的混合幾何結構在較低納米流體濃度下實現了更顯著的壁溫降低（20%）與努塞爾數提升（66%），同時保持了相對合理的流動阻力增加（26%）與更低的熱阻（0.075℃/W）。該設計通過波紋壁與三角形腔體的協同作用，強化了流體混合與熱邊界層破壞，為高密度電子設備的高效散熱提供了新方案。

研究結論表明，帶三角形腔體的波紋微通道散熱器（WMCHS-WTC）結合Al2O3/H2O納米流體，在電子設備冷卻應用中展現出卓越的水熱性能。在 Re=1000、φ=0.05%、P=200W的最優工況下，WMCHS-WTC較傳統RMCHS實現20%的平均壁溫降低、66%的努塞爾數提升，最小熱阻低至0.075℃/W。實驗與數值分析均驗證了該混合幾何結構的協同增效機制，納米流體濃度、雷諾數與熱通量的增加均有助于提升熱性能，但需平衡流動阻力的上升。

本研究的創新點在于首次將波紋壁與三角形腔體集成于單一測試段，通過雙模型同步測試實現了公平對比，為微通道散熱器的優化設計提供了可靠方法。研究局限性包括僅針對層流與穩態工況、局限于Al2O3/H2O納米流體、復雜結構的規模化制造挑戰等。未來可探索增材制造技術實現結構量產、研究納米流體長期穩定性、優化通道參數平衡熱性能與壓力降，或引入電/磁流體動力學效應進一步強化傳熱，為下一代電子設備的熱管理提供更高效的解決方案。

PART3

總結與展望

該研究創新提出融合波紋壁與三角形腔體的復合結構微通道散熱（WMCHS-WTC），結合Al2O3/H2O納米流體開展實驗與數值分析，在200–1000的雷諾數、50–200W的熱通量及0%–0.05%的納米流體體積濃度范圍內，驗證了該設計相較傳統矩形微通道散熱器（RMCHS）的顯著優勢，實現了20%的平均壁溫降低、66%的努塞爾數提升及更低的熱阻（最低達0.075℃/W），為下一代電子設備高效冷卻提供了新方案。未來工作可拓展至湍流與瞬態工況，探索更多類型納米流體及混合納米流體的應用效果，結合增材制造技術攻克復雜結構規模化生產難題；同時可引入電/磁流體動力學效應、非均勻熱流邊界等優化方向，進一步平衡熱性能與流動阻力，推動該復合結構散熱器在高密度電子、EV電池、LED陣列等領域的工程化應用。

3、Experimental and numerical analysis of hydrothermal performa.pdf

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