电子器件的工作性能及寿命与工作温度息息相关，集成电路的迅速发展使电子器件单位面积散热功率急剧上升，但同时散热空间和表面积极大减小，因此电子器件热管理正面临前所未有的挑战。相比于空气热管理及相变热管理等冷却方式，间接式液体冷却的性能更加优良，或系统组成相对简单且可靠性较高，仍是市场目前首选的电子冷却手段。冷板散热器作为间接式液体冷却的核心部件，其冷却性能在很大程度上决定了电子器件的工作温度。因此，通过合理的结构设计，以较低的运行功耗将热源温度控制在适宜范围内是冷板散热器的重要研究内容，弯曲通道由于其优于直通道的传热性能有望应用于中高热流密度电子器件的高效冷却。 为将弯曲通道作为基础冷却结构应用于高度集成化电子器件液体冷却，本文首先建立了光滑弯曲通道内二次流强度微观表征方法，揭示了光滑弯曲通道内二次流强化对流换热机理，研究了弯曲半径对光滑弯曲通道传热性能及二次流强度的影响；其次，构建了具有新型波状壁面的弯曲通道结构，通过数值模拟和实验方法研究了波状弯曲通道内流动与传热特性，揭示了周期性波状壁面强化传热的机理；紧接着，研究了结构参数对新型波状弯曲通道传热与阻力性能的影响规律，并基于遗传算法对通道结构参数及流动参数进行了多目标协同优化；最后，探究了波状螺旋通道内流动与传热特性，研究了冷却通道数目对波状螺旋通道冷板性能的影响，并比较了新型冷板、光滑螺旋通道冷板及平直波状通道冷板的冷却特性。主要研究内容及结论如下： （1）为准确描述弯曲及复杂弯曲通道内二次流强度沿主流方向的演变过程，基于微观二次流速度矢量模和绝对涡量表征局部及平均二次流强度。研究了光滑弯曲通道内二次流特性及其对传热的影响，重点研究了弯曲半径对二次流强度及通道传热性能的影响，并建立了二次流强度与通道传热性能的定量关系。研究结果表明：由于二次流对热边界层的减薄作用，光滑弯曲通道平均努塞尔数相比直通道可提升100%左右；二次流强度随通道弯曲半径的增大而迅速减弱，进而通道传热性能迅速衰减；光滑弯曲通道平均努塞尔数可表示为相同截面直通道层流充分发展时的努塞尔数与由二次流引起的附加努塞尔数之和，关联式预测值与实际值的最大相对偏差小于10%。 （2）为改善半径较大的光滑弯曲通道的传热性能，建立了新型波状弯曲通道结构，通过数值模拟和实验方法研究了新型波状弯曲通道的传热与阻力性能。结果表明：周期性波状壁面有效改善了光滑弯曲通道对流传热能力且改善效果在大雷诺数下更加明显，当雷诺数为850时，波状弯曲通道平均努塞尔数相较于光滑弯曲通道升高了100.6%；周期性波状壁面增加了流体在通道内的流动阻力，最高提升幅度为76.7%，低于传热性能改善幅度；数值计算所得到光滑弯曲通道和波状弯曲通道的平均努塞尔数及范宁摩擦因子与实验研究结果吻合良好，最大偏差均在15%以内。 （3）为揭示周期性波状壁面强化光滑弯曲通道传热性能的机理，研究了波状弯曲通道内流体流动与换热特性，重点分析了主流速度分布特征及二次流沿主流方向的演变规律，厘清了通道传热性能对二次流强度的依赖关系，最后探究了通道内速度场与温度场的协同关系。研究结果表明：周期性波状壁面显著增强了通道内二次流强度，当雷诺数为850时，波状弯曲通道内平均二次流速度矢量模和绝对涡量相较于光滑弯曲通道分别提升了3.4倍和4.2倍；波状弯曲通道内主流和二次流速度分布均沿主流方向周期性变化，二次流强度和局部对流换热系数均沿主流方向周期性变化，且二者的变化基本同步；周期性演变的二次流对热边界层的周期性扰动作用改善了通道内速度场与温度场的协同程度，局部场协同角亦沿主流方向周期性变化，且变化周期与通道局部对流换热系数基本相同。 （4）为进一步提升波状弯曲通道的综合传热性能，研究了波幅、波单元数和平均弯曲半径对通道传热和阻力性能的影响规律，建立了通道平均努塞尔数及范宁摩擦因子与通道结构参数及雷诺数的回归关系，并基于遗传算法对通道结构参数及雷诺数进行了多目标协同优化。研究结果表明：增大波幅或波单元数均能改善波状弯曲通道传热性能，且改善效果在大雷诺数下更加明显，通道平均努塞尔数最高可提升83.4%和65.4%，增大通道平均半径则会使传热性能显著降低；通道内二次流强度随波幅和波单元数的增大而升高，从而加强了周期性热流入口效应，同时波单元数决定了通道内二次流演变和热流入口效应的频率；基于遗传算法的优化结果表明，波状弯曲通道在大雷诺数下的传热效率更高，当平均弯曲半径较大时，增大波幅相较于增大波单元数能够获得更优的综合传热性能。 （5）为将波状弯曲通道应用于电子冷却，基于波状弯曲通道多目标参数优化研究提出了波幅随螺旋半径变化的波状螺旋通道，研究了波状壁面对通道内对流换热特性的影响，进而开发了新型波状螺旋通道冷板，探究了通道数目对冷板性能的影响，最后对比研究了新型冷板与光滑螺旋通道冷板及波状螺旋通道冷板的冷却与阻力特性。结果表明：波状螺旋通道能够避免二次流强度随螺旋半径增大而减弱导致传热性能衰减的问题，其平均对流换热系数较光滑螺旋通道升高了35.0%；热源最高温度随着冷却通道数目的增加而单调升高，同时，冷板阻力迅速下降，根据冷板综合性能可确定本研究中最佳冷却通道数目为6；波状螺旋通道冷板的冷却能力优于平直波状通道冷板和光滑螺旋通道冷板，前者使热源最高温度降低了3.6 ~ 7.3 K；新型冷板结构改善了热源温度均匀性和阻力特性，相较于平直波状通道冷板，热源最大温差最大可减小16.4 K，阻力损失降低了10.6%；冷板散热热阻及功耗结果表明，波状螺旋通道冷板具有最优的综合传热性能。 |
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