微通道散热器设计研究：针对单/多热点热源条件的优化方案

本文针对单热点热源条件和多热点热源条件分别进行了微通道散热器的设计和研究。

针对单热点热源条件，设计了一种中间入口混合式微通道散热器（IM-HM），通过数值分析方法与传统矩形微通道散热器（RM）进行了热力性能对比，并对IM-HM进行了改进。针对多热点热源条件，设计了一种热点靶向冷却歧管式微通道散热器（HT-MMCHS），通过数值分析方法与其他散热器进行了热力性能对比，并提出了一种类似结构的HT-MMCHS-2歧管式微通道散热器。采用代理模型对微通道散热器在不同热源和结构条件下进行了热源面温度分布、压力损耗、最高温度和温差的预测，并使用优化算法对微通道散热器结构参数进行了优化。通过二次开发和脚本语言的方式缩减了实验设计和仿真计算的时间。

主要结论如下：

（1）针对热点热源条件进行微通道散热器设计是必要的。没有进行特殊设计的微通道散热器对热点热源条件进行散热时，不能有效抑制热点区域的高温，且会造成背景区域的过度冷却。热源面温度分布不均匀，存在较大温度梯度。

（2）针对热点热源条件进行散热器设计，使得热点区域上方拥有更大的冷却液质量流量可以有效缓解热点区域的高温，同时背景区域的过度冷却也会得到改善。针对热点条件的微通道散热器可以更有效地进行散热，IM-HM甚至只需要RM微通道散热器1.6%的功耗就可以将最高温度降至与RM相同，并且温度分布更均匀。

（3）需要对散热器进行分区设计，这不仅是要求特殊结构增加热点区域冷却液质量流量的需要，也可以避免背景区域的过度冷却和额外的功耗。热点区域和背景区域分区的设计也可以更好地应对不同热通量差异的热点热源条件。

（4）在散热器设计中不仅要考虑整体布局，还需要考虑微小结构的影响。在IM-HM散热器设计中，增加倒角这一微小改变最大程度降低了功耗。

5.2 展望

本文针对单/多热点热源条件所设计的两种微通道散热器取得了良好的效果。在微通道散热器热源面温度预测和微通道结构参数优化方面也取得了一定成果。但由于时间和客观条件限制，仍然存在许多不足。后续研究可以从以下几个方面展开：

（1）本文所有研究都是在单相流换热的基础上进行的，多相流换热可能在热点热源条件下有着较大的散热差异。

（2）可以采用拓扑优化的方法进行微通道散热器设计。现在拓扑优化还存在诸多问题，但其所生成的结构或许能为散热器设计提供思路。拓扑优化也更符合科技发展方向，或者是智能设计、自动设计。

（3）代理模型优化方法可以大幅缩短传统优化方法中有限元计算所需的时间，并获得较好的优化效果。本文对于基于代理模型的优化方法还不够深入。