3D列印散熱器元件具有比由正常方法(例如鑄造和/或釺焊)生産的散熱器元件高得多的密度。是以，3D列印散熱器元件中的孔隙率較少受到關注。并且，3D列印的散熱器元件的壁可以設計成比使用正常方法制造的散熱器元件的壁更薄，并且3D列印的散熱器元件更緊湊，更小巧。根據3D科學谷的市場研究，3D列印的散熱器元件的冷卻通道可以與其它部件進行冷卻的微通道散熱器串聯連接配接在一起，節約了零件數量避免了焊接的需要。
本期，通過節選近期國内在微通道領域方面的實踐與研究的多個閃光點，3D科學谷與谷友一起來領略的微通道的微妙之處。
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基于微流道冷卻的水卡式
量熱計結構優化與試驗分析
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文鵬、陳連忠、陳丁、陳智銘
中國航天空氣動力技術研究院
摘要：
高聲速飛行器再入過程中面臨嚴峻的氣動加熱環境，最高氣流溫度可達上萬度，常用量熱計在如此高的氣流溫度下，缺乏良好的熱流測試性能和熱負荷生存能力。為解決地面試驗中高超聲速飛行器模型表面高熱流的連續、精準測量難題，研發了一種基于微流道冷卻的新型水卡式量熱計，其内部微型流道結構采用3D列印技術建構。通過數值仿真，确定了新型水卡式量熱計的微流道尺寸與布局，與相較同一冷壁熱流的傳統水卡式量熱計，其核心區域溫升降低近50%，驗證了微流道水卡式量熱計在極端熱環境下的測試能力和生存能力。電弧加熱射流試驗結果表明：微流道水卡式量熱計可以同步測量壓力、溫度、熱流資料，實作了高溫流場參數的內建化辨識，并具有良好動态響應特性；最大熱流測量值超過18MW/m2，測量絕對偏差和平均偏差分别控制在3.44%與±1.72%以内。
基于拓撲優化方法的
蛛網散熱結構均溫性研究
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張坎、付婷、王江波
武漢科技大學
摘要：
仿生蛛網散熱結構在高熱流密度晶片散熱方面有着廣泛的應用，但仍然存在散熱結構溫度分布不均的問題。為進一步提升蛛網散熱結構的溫度均勻性，提出利用變密度拓撲優化對蛛網結構進行優化設計。以設計域溫度方差最低為目标函數，采用霍爾姆茲密度過濾保證求解的數值穩定性，采用雙曲正切投影保證清晰的流道形态，通過分析不同進出口布置和不同設計域形狀下得到的拓撲流道的傳熱性能，發現多入口多出口且交錯布置的方式能有效提高拓撲流道的均溫性，且設計域邊數在十以内其拓撲流道均溫性呈上升趨勢。最後，通過有限元分析的方法，對傳統結構M1和不同設計域邊數的三維拓撲重構結構M2、M3進行模拟仿真。
結果表明，設計域邊數為十的M3溫度均勻性優于傳統通道M1和設計域邊數為六的M2，在Re=1800時，M3熱阻相比于M1降低了18.48%，熱源面溫差相比于M1降低了25%，綜合傳熱性能評價因子PEC值達到1.22。本研究提出并驗證了拓撲優化方法在提升蛛網散熱結構均溫性方面的有效性，有助于推動拓撲優化方法在散熱結構上的應用。
微通道擴散焊式換熱器封頭結構
對流動特性影響模拟分析
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費俊傑1劉旻昀1,2席大鵬1唐佳1劉睿龍1昝元鋒1黃彥平1
1. 中國核動力研究設計院中核核反應堆熱工水力技術重點實驗室2. 清華大學工程實體系
摘要：
為認識和掌握封頭幾何結構對以超臨界二氧化碳(SCO2)為工質的微通道擴散焊式換熱器(簡稱MCD)流量配置設定能力的影響機理，并優化MCD封頭結構設計，改善換熱器流量配置設定均勻性，進而提高換熱效能與安全性，本研究采用數值模拟方法，對不同結構MCD封頭的流動和流量配置設定性能進行研究。為解決硬體條件對複雜換熱器模型網格數量的限制，開發了一款可廣泛用于MCD流體力學性能模拟的UDF程式，大量減少了重複性網格工作，降低了模拟計算的硬體門檻。運用Fluent軟體，分析封頭局部幾何參數(不同封頭壁面曲線參數、不同多孔擋闆參數等)對壓降、流量配置設定性能、流場的影響。
研究結果表明，進口封頭腔體内産生的渦旋以及出口封頭的突縮結構會造成壓力損耗，低高度的二次曲線壁面封頭可以有效抑制渦旋産生，減少突縮結構造成的壓力損耗，進而降低封頭壓降，提高流量配置設定性能。
基于新工藝技術的高功率
裸晶片子產品微流體系統的散熱技術
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李麗丹、錢自富、張慶軍、劉壓軍、李治、李鵬
四川九洲電器集團有限責任公司
摘要：
為解決高功率裸晶片的散熱問題，本文在功率子產品腔體上設計了一種自循環一體化微流道散熱系統，并對有無微流道、平直流道以及交聯流道的散熱特性進行對比。研究表明：有微流道的裸晶片散熱特性優于無微流道，有交聯流道的裸晶片散熱特性優于具有平直流道；将裸晶片共晶焊接到金剛石熱沉，再将熱沉共晶焊接到功率子產品腔體，裸晶片到功率子產品腔體之間的傳導熱阻降至傳統工藝熱阻的1/360～1/280;仿真與實驗能夠互相驗證，最大偏差僅為7.16%。該微流道系統具有較強的散熱能力，可解決環境溫度為70℃,熱流密度為320 W/cm2時的裸晶片散熱問題。
基于仿生微流道的汗液
檢測器件結構設計及應用分析
劉恒信
齊魯工業大學
摘要：
借鑒仿生學知識對開放式的汗液采集微流道進行結構優化來控制汗液流動,促進汗液運輸。采用理論分析為基礎,結構設計為依托,數值模拟與實驗驗證相結合的研究方法,設計并制備了開放式的汗液采集微流道結構。本課題的主要研究内容如下:(1)借鑒仿生學的概念,設計了基于維管植物的仿生毛細管汗液采集結構、基于開放式矩形槽的汗液采集微流道以及仿生仙人掌刺的楔形汗液采集微流道結構。數值模拟分析得到的結論表明,通過仿生設計得到的這幾類集水結構都在一定程度上促進了表面液體的采集。其汗液收集量顯著提升。不足之處在于,仿生毛細管的汗液采集結構,其液體抽吸受到毛細管排布的影響,汗液采集不均勻且造成了汗液的滞留。開放式矩形微流道和基于仙人掌楔形結構的仿生微流道在優化幾何結構的基礎上改善了毛細管吸收不均勻的缺點,然而大量汗液滞留在微流道内造成汗液樣本的浪費,不利于汗液标本信号的擷取。綜上分析,從幾何學的概念出發,結合平面空間的基本元素,将毛細管的毛細效應擴充到開放式矩形微通道結構中,對于擴大集汗面,增加集汗量具有重要意義。(2)為實作汗液在微流道内的有效運輸,結合流體力學相關理論,在開放式微流道内進行結構設計,從大自然中尋找靈感,巧妙利用南洋杉葉片結構的特點,設計了具有南洋杉葉片仿生結構的開放式汗液采集微流道結構。以南洋杉葉片在橫向和縱向兩方向的葉片數量為變量,得到了橫向排布方式為“0.5+1+0.5”即中間一列完整葉片兩邊半列葉片,且縱向葉片數量為12的葉片仿生結構排布方式。進一步得出用于汗液搜集的最佳液體接觸角範圍為30°～75°。在這種排布下的微流體通道滿足汗液采集和優先積聚的要求,兼具毛細效應所具有的拉普拉斯壓力。(3)光固化3D列印制備汗液采集微流道結構并進行液體吸附實驗,實驗結果驗證了數值模拟結果的可靠性,微流道内部葉片布局為橫向“0.5+1+0.5”,縱向葉片數量為12的結構設計的液體吸附和運輸效果是符合要求的。開發了基于開放式微流道的汗液檢測器件的設計理念并給出了設計思路。
綜上所述,本研究設計和優化的仿生微流道結構為實作汗液大量高效采集提供了理論和實驗結果的支撐,為開放式微流道在汗液檢測器件的應用提供了思路。
基于深度學習的随機變寬度
微流控濃度梯度晶片設計
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俞俊楠
江南大學
摘要：
濃度梯度晶片可以生成不同濃度的藥物溶液,在個性化醫療、藥物篩選和抗生素敏感性測試等領域得到了廣泛應用。目前,濃度梯度晶片存在出口濃度和出口流速的分布範圍較窄、設計周期冗長等問題。是以,需要尋找一種出口濃度和出口流速分布範圍更為寬廣的濃度梯度晶片結構,并實作濃度梯度晶片的高效準确設計。本課題創新性地提出了一種基于深度學習的随機變寬度濃度梯度晶片設計方法,并将研究聚焦于機理分析、設計方法研究和實驗研究等三個方面,本研究的主要内容和結論如下:(1)深入分析濃度梯度晶片傳質機理和卷積神經網絡算法架構。研究微流體流動的基本特征和基本方程,以及濃度梯度的工作原理,發現可以通過不同寬度微流道的組合來改變濃度梯度晶片的出口流體行為。分析卷積神經網絡算法的基本特征、基本結構和求解過程,發現可以通過幾何特征矩陣來表示濃度梯度晶片的幾何結構,有效地提高卷積神經網絡模型的訓練速度和降低卷積神經網絡模型的計算複雜度。(2)通過不同寬度微流道的組合,提出随機變寬度濃度梯度晶片的設計方案。應用數值模拟方法,研究多種随機變寬度濃度梯度晶片結構的出口流體行為。結果表明,與随機等寬度濃度梯度晶片相比,随機變寬度濃度梯度晶片的三個出口濃度分布範圍分别拓展9%、16%和11%,流速分布範圍分别拓展29%、28%和30%。當微流道節點數量為5×5,即可能存在的微流道總數為40,微流道的出現機率為70%,即已經存在的微流道數量為28時,随機變寬度濃度梯度晶片能夠得到最佳的出口濃度和出口流速分布。(3)通過COMSOL模拟得到的出口流速和出口濃度資料集訓練卷積神經網絡模型,獲得一種随機變寬度濃度梯度晶片的設計方法。采用數值模拟得到的資料集訓練Velocity NET模型和Concentration NET模型,結果表明,模型的預測準确率分别為92.68%和91.51%,實作出口流體行為的準确預測。基于遷移學習建立c Transfernet模型和v Transfernet模型,實作不同入口條件下濃度梯度晶片資料庫的快速拓展。制定随機變寬度濃度梯度晶片的檢索政策和設計流程,實作濃度梯度晶片的分鐘級設計。(4)在3D列印的随機變寬度濃度梯度晶片上,通過實驗驗證出口濃度預測模型的準确性。在不同的入口流速、入口濃度和入口物料的條件下分别進行實驗,出口濃度預測值和出口濃度實驗值之間的平均絕對誤差分别為3.50%、5.17%和4.23%。實驗結果證明本研究中的方法能夠高效準确地實作随機變寬度濃度梯度晶片的自動設計。本課題提出了一種随機變寬度濃度梯度晶片結構并通過卷積神經網絡模型實作了濃度梯度晶片的自動設計。通過機理分析,梳理了濃度梯度晶片傳質機理與卷積神經網絡算法架構。通過設計方法研究,明确了随機變寬度濃度梯度晶片關鍵結構參數,融合卷積神經網絡算法獲得了一種随機變寬度濃度梯度晶片的設計方法。通過實驗研究,驗證了本研究中随機變寬度濃度梯度晶片設計方法的準确性。
結果表明,基于卷積神經網絡算法設計的随機變寬度濃度梯度晶片具有出口濃度與出口流速的分布範圍廣、設計效率與準确性高等優點,有望應用于其它微流控晶片的自動設計。
基于MEMS的噴墨
微流道設計與控制研究
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彭熙舜
貴州大學
摘要：
在增材制造領域,噴墨列印晶片長期受制于國外企業,生産具備大陸自主知識産權的噴墨列印晶片迫在眉睫。大陸在熱泡噴墨列印晶片的設計上,大多局限于理論模型的推理,在整套的晶片加工與信号調制方面還有一些問題。本文在學科交叉的大環境下,設計了一款基于MEMS的高頻熱泡噴墨列印晶片,并基于FPGA設計了驅動信号控制系統。論文主要的工作内容如下:(1)本文提出了一種基于TaN薄膜的高功率密度的發熱電阻。考慮到電阻表面的溫度分布變化,為了避免出現熱應力過大使電阻表面破裂的情況出現,在TaN薄膜與Si3N4薄膜之間添加了一層SiO2薄膜作為緩沖層。之後利用有限元仿真找到了合适的驅動電壓與加熱時長,并且對電阻表面的溫度分布進行了模拟,進一步驗證了模型的合理性。(2)本文提出了一種H型限流結構,通過縮短腔室與主流道的截面,并放置了一個矩形擋闆來達到限流效果。該結構能夠有效地阻擋因氣泡膨脹而被擠壓逆流回主流道的墨液,以此來提升腔室内墨液的使用率。之後,利用有限元仿真找到了合适的限流結構尺寸,對腔室内的液體溫度變化做了研究。此外,本文還對整個噴墨過程進行了模拟,以此來推測實際噴墨情況下,腔室内部的情況,進一步确定合适的驅動電壓與時長等條件。(3)基于FPGA,本文設計了一套噴墨驅動信号的控制系統。利用Xilinx公司的Kintex-7-XC7K325T晶片作為主要晶片,異步FIFO作為小批量資料的緩存裝置,并配備的DDR作為大規模資料的存儲裝置,為脫機列印提供了條件。該系統能同時控制10個噴頭進行噴墨列印,滿足高頻列印的條件。(4)利用MEMS技術制備熱泡噴墨晶片,并搭建晶片調試環境。本文通過施加不同電壓來測試實際噴墨情況,并與之前的模拟結果進行對比驗證。之後通過搭建轉動圓盤作為噴墨頻率的驗證方法,利用光學顯微鏡觀察圓盤表面的膠片紙上相鄰墨滴之間的距離,并且觀察墨滴的形狀,以此來觀察實際情況下的驅動條件與仿真模型的比對程度。此外,将單個噴墨頭連續噴墨20萬次,通過計算其體積來逼近單次噴墨的墨液體積,确定該體積大小滿足期望水準。
基于嵌入式散熱子產品的
微通道散熱技術研究
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李雪斌
桂林電子科技大學
摘要：
人工智能和第五代移動通信技術的發展推動着電子晶片向着小型化和高內建化的方向快速發展的同時也将導緻電子晶片的發熱問題日益嚴重。因為在實際工程應用中,往往存在晶片陣列同時工作的情況,是以在散熱時,除了要考慮各個熱源的散熱性能和溫度均勻性外,熱源之間的溫度均勻性也是需要考慮的問題之一。是以,需要提出一種散熱技術,該技術應具有如下特點:能有效提高散熱能力、溫度均勻性,且适用于多熱源散熱問題。根據項目要求,作者綜合三種強化傳熱路徑,提出一種基于嵌入式散熱子產品的微通道散熱技術,并圍繞其展開一系列研究,具體研究内容如下:一、采用數值計算的方法将三種帶有嵌入式散熱子產品的微通道與直矩形微通道的流場、溫度場進行對比分析,并分析了三種帶有嵌入式散熱子產品的微通道相對于MC-SR的性能提升情況。通過綜合比較,標明帶有針鳍-肋嵌入式散熱子產品的微通道(MC-RPF)作為核心散熱結構,并對MC-RPF上的四個主要結構參數進行研究分析。研究結果表明,與本次研究中涉及的其他散熱結構相比,MC-RPF能以壓降增加26.71%的代價,提升41.02%的傳熱性能,59.6%的溫度均勻性。二、在研究内容一的基礎上,采用響應面分析法與快速非支配排序遺傳算法(NSGA-Ⅱ)以壓降、熱阻、溫度标準差為目标,對MC-RPF中的肋高、針鳍高、針鳍數目和輔流道數目等四個參數進行多目标優化。通過TOPSIS算法進行多元決策,得到綜合性能最優MC-RPF的結構參數。結果表明,MC-RPF在肋高0.8 mm,針鳍高0.8 mm,針鳍數目19個,輔流道數目8個時的綜合性能最佳。随後采用數值計算的方式将優化所得到的結構與響應面規劃中的結構進行對比分析驗證。結果表明,優化後的MC-RPF的綜合性能相對于未優化前,最大提升124.31%,最小提升3.04%。三、在研究内容二的基礎上,基于子產品化散熱的思想提出了基于MC-RPF的多熱源散熱結構并對其進行結構設計分析及壓降優化,該結構利用MC-RPF來對每個熱源進行針對性散熱。采用數值計算的方式分别從多場分布、熱源間傳熱性能、整體性能等三個方面對三種MC-RPF互聯流道(串聯式、并聯式和混聯式MC-RPF互聯流道)的散熱性能、溫度均勻性,流動性能進行綜合分析。采用TOPSIS算法對三種MC-RPF互聯流道進行綜合評價。結果表明,三種MC-RPF互聯流道分别适應于不同流量範圍内的多熱源散熱問題,由于混聯式在三種MC-RPF互聯流道中适應流量範圍最廣,且在其他流量範圍内也具有不俗的表現,是以選用混聯式作為多熱源散熱結構的MC-RPF互聯流道。最後根據壓力損失相關理論對混聯式MC-RPF多熱源散熱結構進行壓降優化,優化後的混聯式MC-RPF多熱源散熱結構與優化前相比壓降降低36.73%。
工藝參數對SLM成形CuCrZr合金
微流道粗糙度的影響
何國豪1勞子彬1甘宏海1曹明軒1付斌1劉志平2王穎1袁銘輝3
1. 五邑大學智能制造學部2. 五邑大學應用實體與材料學院3. 香港科技大學機械及航空航天系
摘要：
為了研究工藝參數對雷射選區熔化技術成形的CuCrZr合金微流道表面粗糙度的影響，采用正交試驗法制備了具有微流道的CuCrZr合金試樣；利用3維形貌儀和掃描電子顯微鏡測試樣件内表面的粗糙度和微觀形貌，分析了雷射功率、掃描速率、填充距離對微流道懸垂面及側表面的粗糙度的影響規律和内在機制。結果表明，掃描速率對于懸垂面和側表面的粗糙度影響最大，懸垂面受熔池自身品質影響而出現“挂渣”現象，而側表面粗糙度則受馬蘭戈尼效應的影響較大；經過優化，在雷射功率380 W、掃描速率520 mm/s、掃描間距0.12 mm的工藝參數下，可加工獲得具有最小側表面粗糙度(16.91μm)的微流道樣件；在雷射功率320 W、掃描速率560 mm/s、填充距離0.14 mm的工藝參數下，可加工獲得具有懸垂面最小粗糙度(24.86μm)的微流道樣件。該研究從雷射工藝視窗的角度為雷射選區熔化技術成形表面精度提供了依據。
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