微通道底部电极增强流动与传热特性的数值研究

徐绍钦; 张西龙; 刘佳鑫

doi:10.12465/issn.0253-4339.20251208001

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

微通道底部电极增强流动与传热特性的数值研究

XXXX | 更新时间：2026-07-08

- 微通道底部电极增强流动与传热特性的数值研究
- Numerical Study on the Enhancement of Flow and Heat Transfer Characteristics by Electrodes at the Bottom of Microchannels
- 制冷学报 2026年页码：1-11
- 作者机构：
  
  1.青岛理工大学机械与汽车工程学院青岛 266520
  2. 再制造技术国家级重点实验室北京 100072
- 作者简介：
  
  张西龙，男，教授，青岛理工大学机械与汽车工程学院，18681955545，E-mail：zhangxilong@qut.edu.cn研究方向：芯片及大功率电子器件冷却，新能源动力系统技术，新能源汽车热泵空调技术，纳米流体传热传质特性。
- 基金信息：
- DOI：10.12465/issn.0253-4339.20251208001
  中图分类号： TK124;TB61⁺1
- 修回：2025-12-25，
  
  录用：2026-01-14，
  
  网络首发：2026-07-07，
- 稿件说明：
移动端阅览
徐绍钦，张西龙，刘佳鑫. 微通道底部电极增强流动与传热特性的数值研究［J］. 制冷学报，XXXX，XX（XX）：1-11.

Xu Shaoqin，Zhang Xilong，Liu Jiaxin. Numerical Study on the Enhancement of Flow and Heat Transfer Characteristics by Electrodes at the Bottom of Microchannels［J］. Journal of Refrigeration，XXXX，XX（XX）：1-11.
徐绍钦，张西龙，刘佳鑫. 微通道底部电极增强流动与传热特性的数值研究［J］. 制冷学报，XXXX，XX（XX）：1-11. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20251208001.

Xu Shaoqin，Zhang Xilong，Liu Jiaxin. Numerical Study on the Enhancement of Flow and Heat Transfer Characteristics by Electrodes at the Bottom of Microchannels［J］. Journal of Refrigeration，XXXX，XX（XX）：1-11. DOI： 10.12465/issn.0253-4339.20251208001.

摘要

随着微电子器件功率密度持续升高，散热已成为制约性能的瓶颈。虽然矩形微通道换热面积大，但纯压力驱动下流动以层流为主，热边界层限制了性能提升。。本文基于三维数值模型，研究了不同电极构型对流场及温度分布的影响，提出了正电极周期递增排布方式，对深入阐明电场对流体的作用机制具有重要意义。研究表明：正电极周期递增排布能够在通道底部附近有效诱发出一种周期性的“伪粗糙度”涡结构。这些涡旋通过强烈扰动黏性与热边界层，使近壁局部速度梯度显著增大，从而同时强化了对流传热、提升了整体流速并改善了减阻特性。在边界层流速方面，与常规光滑通道相比，采用周期性递增排布（结构1）的增强幅度最高，达41.6%；均匀排布（结构2）次之，为36.8%；周期性递减排布（结构3）相对较低，为32%。这一趋势同样体现在综合性能上：周期递增排布与均匀排布的综合性能评价指标（performance evaluation criterion）值分别提升了90%和70%。尤其是，在相同的施加电压和散热性能条件下，采用周期递增排布可使压降大幅降低66.7%，表现出明显优于其他两种构型的综合性能。

Abstract

Following the continuous increase in power density of microelectronic devices， heat dissipation has become a critical bottleneck limiting performance. Although rectangular microchannels offer a large heat transfer area， the flow under purely pressure-driven conditions remains predominantly laminar， and the thermal boundary layer limits further enhancement. In this study， a three-dimensional numerical model was employed to investigate the effects of different electrode configurations on flow field and temperature distribution. A positive electrode arrangement with periodically increasing spacing was proposed， providing the essential insights into the mechanism by which the electric field interacts with the fluid. The results reveal that this periodically increasing arrangement effectively induces periodic vortex structures， referred to as "pseudo-roughness，" near channel bottom. These vortices strongly disturb the viscous and thermal boundary layers， significantly increasing the local near-wall velocity gradient， thereby simultaneously enhancing the convective heat transfer， increasing the overall flow velocity， and improving drag reduction. In terms of the boundary layer velocity， relative to a conventional smooth channel， the periodically increasing arrangement （Structure 1） achieved the highest enhancement of 41.6%， followed by the uniform arrangement （Structure 2） at 36.8%， and the periodically decreasing arrangement （Structure 3） at 32%. This trend was also reflected in the overall performance： the periodically increasing and uniform arrangements improved the performance evaluation criterion （PCE） by 90% and 70%， respectively. Notably， under the identical applied voltage and heat dissipation performance condition， the periodically increasing arrangement reduced the pressure drop by 66.7%， demonstrating a markedly superior overall performance compared with the other two configurations.

关键词

Keywords

references

Zhang Xilong ， Dong Wenlin ， Liu Jiang ， et al . The influence of pin fin structure on the flow and heat transfer characteristics of the manifold microchannel heat sink ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2025 ， 261 ： 125119 .

Li Ziyong ， Luo Hailiang ， Jiang Yuguang ， et al . Comprehensive review and future prospects on chip-scale thermal management： Core of data center's thermal management ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2024 ， 251 ： 123612 .

Du Liang ， Hu Wenbo . An overview of heat transfer enhancement methods in microchannel heat sinks ［J］. Chemical Engineering Science ， 2023 ， 280 ： 119081 .

Shen Feng ， Xiao Peng ， Liu Zhaomiao . Microparticle image velocimetry （μPIV） study of microcavity flow at low Reynolds number ［J］. Microfluidics and Nanofluidics ， 2015 ， 19 （ 2 ）： 403 - 417 .

Ramadan K M ， Kamil M ， Tlili I ， et al . Analysis of thermal creep effects on fluid flow and heat transfer in a microchannel gas heating ［J］. Journal of Thermal Science and Engineering Applications ， 2021 ， 13 （ 6 ）： 061011 .

Alam T ， Kim M H . A comprehensive review on single phase heat transfer enhancement techniques in heat exchanger applications ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews ， 2018 ， 81 ： 813 - 839 .

Darabi J ， Rada M ， Ohadi M ， et al . Design， fabrication， and testing of an electrohydrodynamic ion-drag micropump ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems ， 2002 ， 11 （ 6 ）： 684 - 690 .

Yu He ， Li Hongru . A conditional factor VAE model for pump degradation assessment under varying conditions ［J］. Applied Soft Computing ， 2021 ， 100 ： 106992 .

Oda T ， Aoyama M ， Ohkubo T ， et al . Electrohydrodynamic pumping effect in dielectric liquid using a non-uniform traveling field ［C］// Proceedings of Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena-CEIDP '96 . Millbrae ， CA， USA . IEEE ， 2002 ： 662 - 665 .

曹生现，颜培聪，王恭，等 . 非匀强电场对颗粒污垢的抑垢特性［J］. 科学技术与工程， 2023 ， 23 （ 15 ）： 6448 - 6454 .

Cao Shengxian ， Yan Peicong ， Wang Gong ， et al . Dirt inhibition characteristics of a variety of particles by non-uniform electric field ［J］. Science Technology and Engineering ， 2023 ， 23 （ 15 ）： 6448 - 6454 .

Jungmann F ， Onyeagusi F C ， Teiser J ， et al . Charge transfer of pre-charged dielectric grains impacting electrodes in strong electric fields ［J］. Journal of Electrostatics ， 2022 ， 117 ： 103705 .

Patel V K ， Robinson F ， Seyed-Yagoobi J ， et al . Terrestrial and microgravity experimental study of microscale heat-transport device driven by electrohydrodynamic conduction pumping ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2013 ， 49 （ 6 ）： 2397 - 2401 .

Patel V K ， Seyed-Yagoobi J ， Robinson F ， et al . Effect of gravity on electrohydrodynamic conduction driven liquid film flow boiling ［J］. Journal of Thermophysics and Heat Transfer ， 2016 ， 30 （ 2 ）： 429 - 437 .

Vázquez P A ， Seyed-Yagoobi J ， Traoré P ， et al . EHD pumping in flexible conic nozzle ［C］// 2019 IEEE 20th International Conference on Dielectric Liquids （ICDL） . Roma ， Italy . IEEE ， 2019 ： 1 - 4 .

Gao Xuelin ， Bao Xingdong ， Pang Songjian ， et al . The electrohydrodynamic enhancement of heat transfer on interdigitated electrodes by a charge injection pump ［J］. Physics of Fluids ， 2024 ， 36 （ 3 ）： 033612 .

Vásquez M B ， Polanco M A . On the continuity equation in space-time algebra： multivector waves， energy-momentum vectors， diffusion， and a derivation of Maxwell equations ［J］. Mathematics ， 2024 ， 12 （ 14 ）： 2270 .

Temam R . Navier-Stokes Equations ［M］. Providence， R.I. ： AMS Chelsea Pub.， American Mathematical Society ， 2001 .

Park H M ， Lee J S ， Kim T W . Comparison of the Nernst-Planck model and the Poisson-Boltzmann model for electroosmotic flows in microchannels ［J］. Journal of Colloid and Interface Science ， 2007 ， 315 （ 2 ）： 731 - 739 .

Peng X F ， Peterson G P ， Wang B X . Heat transfer characteristics of water flowing through microchannels ［J］. Experimental Heat Transfer ， 1994 ， 7 （ 4 ）： 265 - 283 .

张乾坤，李红艳，吕碧纯，等 . 叶脉仿生微通道换热器流动与传热特性的数值研究［J］. 制冷学报， 2025 ， 46 （ 4 ）： 52 - 60 .

Zhang Qiankun ， Li Hongyan ， Lü Bichun ， et al . Numerical study of thermal-hydraulic characteristics of vein biomimetic microchannel heat exchanger ［J］. Journal of Refrigeration ， 2025 ， 46 （ 4 ）： 52 - 60 .

刘小军，傅德彬，牛青林，等 . 燃气射流冲击传热特性的数值模拟［J］. 爆炸与冲击， 2015 ， 35 （ 2 ）： 229 - 235 .

Liu Xiaojun ， Fu Debin ， Niu Qinglin ， et al . Numerical simulation of heat transfer for exhausted gases jet impinging ［J］. Explosion and Shock Waves ， 2015 ， 35 （ 2 ）： 229 - 235 .

He Siyuan ， Ben Mrad R . Design， modeling， and demonstration of a MEMS repulsive-force out-of-plane electrostatic micro actuator ［J］. Journal of Microelectromechanical Systems ， 2008 ， 17 （ 3 ）： 532 - 547 .

陈超伟，王鑫煜，辛公明 . 多孔鳍歧管微通道流动传热特性研究［J］. 制冷学报， 2022 ， 43 （ 3 ）： 62 - 70 .

Chen Chaowei ， Wang Xinyu ， Xin Gongming . Flow and heat transfer characteristics in manifold microchannel with porous fins ［J］. Journal of Refrigeration ， 2022 ， 43 （ 3 ）： 62 - 70 .

Deepak Selvakumar R ， Kong D ， Kyun Lee H ， et al . Enhanced heat transfer in a microchannel with pseudo-roughness induced by Onsager-Wien effect ［J］. Applied Thermal Engineering ， 2023 ， 233 ： 121122 .

Steinke M E ， Kandlikar S G . Single-phase liquid friction factors in microchannels ［J］. International Journal of Thermal Sciences ， 2006 ， 45 （ 11 ）： 1073 - 1083 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

氢气在螺旋管内流动冷凝传热特性研究

冰浆在水平圆管过渡区内流动特性的影响因素

脉管制冷机波纹连管内交变流动及声功传输特性

冰浆在水平圆管过渡区内流动特性的影响因素

大规模跨季节储热水体解析模型开发与验证