微通道中液态金属纳米流体的流动和传热特性

论文信息：Haiyi Du , Ronghua Zhu , Juan Shi , Zhenqian Chen.School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, 210096, Jiangsu, China

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2025.109787

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研究背景

  随着微型化和集成化的发展，电子设备需要解决高热流量下的高效热管理问题。微通道在微电子设备冷却方面有着广阔的应用前景。进一步提高散热器的传热性能、降低泵的功耗一直是一个永恒的话题。本研究提出了液态金属纳米流体（LMNF）微通道冷却技术。通过模拟和实验研究了液态金属纳米流体参数和微通道结构对流动和传热性能的影响机理。工作流体由 Ga67In20.5Sn12.5 和纳米铜粒子（NP）组成。比较分析了矩形和波浪形微通道的综合性能。结果表明，LMNF 具有优异的传热性能。NP 的体积分数是影响传热性能的关键参数。结合经济性分析，在 LM 中添加 1 ~ 5 vol% 的 NP 更为可取。此外，当波长设置为 2.5 毫米或 5 毫米时，振幅为 0.05 毫米的浣熊结构具有更优越的传热性能。本研究提出了工作流体和微通道几何形状的优选参数，同时拟合了传热相关性，为优化微型散热器提供了理论指导。

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研究内容

  如图1所示，散热器几何参数的设置考虑了典型芯片尺寸以及Muhammad等人推荐的值。用于散热的材料是铜。L、W、H尺寸分别为20mm、20mm、8mm。通道呈矩形和波浪状。单通道尺寸为Lm × Wm × Hm = 20mm × 0.6 mm × 6mm。通道壁厚Ww = 0.4 mm。振幅为Am = 0.05-0.6 mm，波长为λ = 1-10 mm。基材厚度tb = 2mm。散热器底表面粘附在热源上。热源尺寸为20mm × 20mm，热源发热功率400 - 1200w。由于每个通道在传热和流体力学方面都是相同的，为了节省计算资源，本文选择其中一个通道作为数值模拟的代表。

图1  散热器模型：（a）矩形结构；（b）计算模块；（c）波浪结构；（d）浣熊结构。

  图2 (a)为水、LM和LMNF压降随Re的变化情况。热流密度设为300W/cm2。NPs的直径设为30 nm。仿真结果与实验结果一致，误差范围为0.55% ~ 10.38%。大多数实验测量的压降都大于模拟值，这可能是由于模拟忽略了壁面的粗糙度。然而，实验结果和模拟结果都表明，在相同的Re下，GaInSn的压降明显低于水的压降，这主要是由于LM的密度是水的6倍以上。因此，GaInSn的流动速度较慢。此外，在LM中加入NPs可以显著提高流体的压降。当NPs的体积分数为9%时，LMNF的压降达到纯LM的1.3倍。NPs的加入提高了流体粘度，从而显著增加了流动阻力。同时，当NPs的体积分数较高时，NPs之间的范德华力会诱导NPs形成簇状结构甚至链状聚集结构。这种现象会加剧NPs的沉积，从而增加流动阻力。

  如图 2 (b) ~ (d)所示，根据模拟和实验分别研究了不同工作流体在不同热流密度下的散热能力。实验与模拟之间的误差为 0.01 %-1.35 %。实验结果和模拟结果都表明，底部温度呈现出随着流速增加而急剧下降，然后趋于平缓或缓慢下降的趋势。有趣的是，当雷诺数低于 600 时，LM 的冷却性能与水相当。实验结果还表明，在低流速条件下，GaInSn-Cu（3 vol%）的冷却性能不如水。这是由于 LM 的比热容较小（比水低近 12 倍），导致其自身温度在小流量时迅速升高。高热容量阻力严重恶化了散热性能。不过，随着流速的增加，比热容的影响所占比例会逐渐减小。LM 的高导热性优势更为突出。因此，当使用 LM 作为工作流体时，可在高流速下发挥更好的散热效果。

此外，如图 2 (b) ~ (d) 所示，LMNF 的冷却性能明显优于纯 LM。值得注意的是，掺杂 NPs 会增加 LM 内部的扰动，从而有效扰动热边界层。而 NPs 的布朗运动在提高传热性能方面发挥了作用。虽然增加 NP 含量会增强颗粒间的范德华力，促进 NP 的聚集，从而影响传热效率，但 NP 具有很高的热导率，其沿热流方向的链状聚集结构可在 LM 中形成有效的传热路径。此外，水只能将热源温度降低到 85.70 ◦C（q = 300 W/cm2），同时伴随着较高的泵功率消耗。而电子芯片的安全工作温度低于 85 ◦C。用水作为工作流体很难满足散热要求。相比之下，使用 LMNF 作为工作流体能有效解决上述问题，它能以较低的泵功率消耗将电子芯片维持在较低的工作温度（63.82 ◦C）。

图2  流动和传热性能。(a) 压降变化；(b) ~ (d) 散热器底部温度变化；(e) 传热能力随热流密度的变化；(f) 热阻变化

  图 3 显示了不同 NP 体积分数下 LMNF 在微通道中的流动和传热特性。NP 的直径设定为 30 nm。从图 3 (a) 中可以看出，压降随着 NP 体积分数的增加而增大。在层流中，低体积分数对压降的影响较小。当 NPs 的体积分数超过 7% 时，NPs 对流动阻力的影响更加显著。当 Re = 2100 和 φp = 9 % 时，LMNF 的压降增长到纯 LM 的 1.99 倍。当 Re = 4800 和 φp = 9 % 时，LMNF 的压降达到纯 LM 的 4.67 倍。因为增加 NPs 的体积分数会导致粘度升高。同时，NPs 的聚集进一步增强了流动阻力。

  从图3 (b)可以看出，Rtotal的值随着Re的增大而减小。Rtotal的降低程度与φp成正比。φp = 1%时，热阻降低2.59%。φp = 9%时，热阻降低24.22%。这主要是由于NPs的布朗运动造成热边界层的损伤。如图3 (d) ~ (i)所示，随着φp的增大，热边界层厚度减小。同时，纳米流体的导热系数随φp的增大而增大，进一步提高了对流换热系数。

图3  NP 体积分数的影响。(a) 压降变化；(b) 热阻变化；(c) 对流传热系数变化；(d) ~ (i) NP 体积分数对热边界层的影响（Re = 300，yz 平面，x = 0.5 毫米）。

  图4显示了不同NP直径下微通道中LMNF的特性。NP的体积分数为3%。如图4 (a)所示，NPs的加入显著增加了压降。而NP大小对压降的影响不显著。在Re = 4800条件下，直径为30 nm处的压降仅比直径为150 nm处的压降增加了11.22%。此外，增加NPs的尺寸可以提高热阻，降低对流换热系数，但这些影响都不显著。与直径为30 nm的纳米颗粒相比，直径为150 nm的纳米颗粒的对流换热系数仅下降了5.05%。

  颗粒的运动和相互作用主要受流体的粘性力和颗粒的布朗运动的影响，在30 ~ 150 nm的尺寸范围内变化不显著。同时，NPs与LM之间的界面效应在本研究范围内相对稳定。因此，不同粒径颗粒对流体扰动和整体换热性能的影响是相对一致的。综上所述，改变NPs的直径对散热性能没有显著影响。

图4   NP 直径的影响。(a) 压降变化；(b) 热阻变化；(c) 对流传热系数变化。

  NPs 的加入大大提高了 LM 的对流传热系数，是纯 LM 的 1.21-2.34 倍。然而，NPs 的加入会带来较大的压降，在实际应用中会消耗较多的泵功率。图 5 (a) 显示了不同 NP 体积分数下纳米流体的综合性能指数随雷诺数变化的趋势。当 Re = 300-4800 时，大多数情况下综合性能指数都大于 1.0。这表明，添加 NP 对传热的促进作用大于流动阻力的增加。同时，综合性能指数随 NP 体积分数的增加而增加。增加 NPs 的体积分数有助于提高流体的热导率，同时加强热边界层扰动。然而，随着 Re 的增加，纳米流体的综合性能指数呈现出先增大、后减小、最后趋于稳定的趋势。同时，随着纳米粒子体积分数的增加，这一趋势变得更加明显。在层流中，压降随流速的变化幅度相对较小。但是，热阻和对流传热系数随流速的变化很大。因此，综合性能呈上升趋势。随着 Re 值的升高，对流传热的强度会随着流体对流体的冲刷程度而提高。

  图 5 (b) 显示了不同 NP 尺寸下纳米流体的综合性能指数随雷诺数变化的趋势。体积分数为 3%。从图 5 中可以看出，综合性能指数与 NP 粒径和体积分数的变化趋势相同，并以相同的拐点变化。此外，综合性能指数随着 NP 尺寸的增大而降低。当 NP 直径从 30 纳米变化到 150 纳米时，综合性能指数下降了 5.90%。这表明，在相同的操作条件下，减小 NP 直径更经济。

图5  LMNF 的综合性能指数。(a) NP 体积分数的影响；(b) NP 直径的影响。

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结论   

        本文在仿真和实验的基础上，对LMNF微通道的综合性能进行了研究。进一步优化了微通道的几何形状，探讨了不同波浪形微通道中LMNF的特性。分析了LMNF微通道冷却技术的影响因素和强化机理。本研究主要得出以下结论。

(1)在LM中加入NP有助于增强热边界层扰动，提高工质导热系数，对提高高热流密度下的性能有显著的优势。NP的体积分数对流动和换热性能有显著影响。在本文研究范围内，体积分数为9%的铜NP传热效果最好，但同时伴随着较大的压降。综合评价表明，在金属液中添加1 ~ 5 vol%的NP是提高综合性能的较好方法。

(2)在传统的波浪形微通道中，变窄波长和扩大振幅有助于加速中心区域流体的流速。然而，大量的低流量流体将保留在弯曲区域。低速时存在较大的热容阻力，不利于换热。当微通道波长为λ = 5 ~ 10 mm，振幅为A = 0.1 ~ 0.2 mm时，系统的流动和换热性能最佳。

本文的研究验证了LMNF微通道冷却技术的可行性。研究结果为优化微通道提供了有力的理论支持。为了进一步完善LMNF微通道冷却技术，有望开展结合波长和振幅变化的浣熊波结构研究，更有针对性地调节换热性能与流动压降之间的平衡。