3D打印技術(shù)賦能高效液冷熱沉：理論探究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一、緒論1.1研究背景與意義在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，高功率密度設(shè)備廣泛應(yīng)用于多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，如數(shù)據(jù)中心、航空航天、電子信息等。以數(shù)據(jù)中心為例，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和功率密度不斷攀升。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心數(shù)量逐年遞增，單個(gè)數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器數(shù)量可達(dá)數(shù)十萬(wàn)臺(tái)，功率密度也從過(guò)去的每機(jī)架數(shù)千瓦提升至如今的數(shù)十千瓦甚至更高。在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行器性能的不斷提升，電子設(shè)備的集成度越來(lái)越高，功率密度也隨之大幅增加。例如，新型戰(zhàn)斗機(jī)的航電系統(tǒng)功率密度相較于早期型號(hào)提高了數(shù)倍，對(duì)散熱技術(shù)提出了更為嚴(yán)苛的要求。高功率密度設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果這些熱量不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備溫度急劇升高。過(guò)高的溫度會(huì)對(duì)設(shè)備的性能和可靠性產(chǎn)生諸多負(fù)面影響。一方面，溫度升高會(huì)使電子元件的性能下降，例如，芯片的運(yùn)行速度會(huì)降低，運(yùn)算精度會(huì)受到影響，從而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行效率降低。另一方面，高溫還會(huì)加速電子元件的老化和損壞，縮短設(shè)備的使用壽命，增加設(shè)備的維護(hù)成本。在極端情況下，溫度過(guò)高甚至可能引發(fā)設(shè)備故障，導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，如數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器癱瘓，會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；航空航天設(shè)備的電子系統(tǒng)故障，則可能危及飛行安全。因此，高效的散熱技術(shù)成為了保障高功率密度設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的散熱方式，如風(fēng)冷，在面對(duì)日益增長(zhǎng)的高功率密度設(shè)備散熱需求時(shí)，逐漸顯露出其局限性。風(fēng)冷主要依靠空氣作為冷卻介質(zhì)，通過(guò)空氣的流動(dòng)帶走熱量。然而，空氣的比熱容較小，熱傳遞效率相對(duì)較低。當(dāng)設(shè)備功率密度較低時(shí)，風(fēng)冷尚可滿足散熱需求，但隨著功率密度的不斷提高，風(fēng)冷的散熱效果越來(lái)越難以達(dá)到要求。例如，當(dāng)單CPU功率超過(guò)300W時(shí)，風(fēng)冷系統(tǒng)往往無(wú)法有效地將熱量散發(fā)出去，導(dǎo)致CPU溫度過(guò)高，進(jìn)而出現(xiàn)降頻現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備的性能。在整機(jī)柜功率達(dá)到15kW以上時(shí)，風(fēng)冷系統(tǒng)更是難以應(yīng)對(duì)，無(wú)法保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。液冷技術(shù)作為一種更為高效的散熱方式，近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。液冷利用液體作為冷卻介質(zhì)，液體具有較高的比熱容，能夠吸收更多的熱量，熱傳遞效率遠(yuǎn)高于風(fēng)冷。在液冷系統(tǒng)中，液冷熱沉是核心部件之一，它直接與發(fā)熱源接觸，通過(guò)液體在熱沉內(nèi)部的流動(dòng)，將熱量帶走。液冷熱沉的性能直接影響著整個(gè)液冷系統(tǒng)的散熱效果。傳統(tǒng)的液冷熱沉制造工藝，如鑄造、機(jī)械加工等，存在著一些難以克服的缺點(diǎn)。鑄造工藝雖然可以制造出復(fù)雜形狀的熱沉，但精度較低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量難以保證，容易出現(xiàn)氣孔、砂眼等缺陷，影響熱沉的散熱性能和可靠性。機(jī)械加工工藝則對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造能力有限，尤其是對(duì)于具有微細(xì)通道、異形結(jié)構(gòu)等復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的液冷熱沉，傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝往往難以實(shí)現(xiàn)，或者加工成本極高。此外，傳統(tǒng)制造工藝在材料利用率方面也較低，會(huì)產(chǎn)生大量的廢料，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。3D打印技術(shù)，也稱為增材制造技術(shù)，是一種通過(guò)逐層添加材料來(lái)構(gòu)建三維物體的制造技術(shù)。與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為液冷熱沉的制造帶來(lái)了新的機(jī)遇。首先，3D打印技術(shù)具有極高的設(shè)計(jì)自由度，能夠制造出各種復(fù)雜形狀的液冷熱沉，包括具有微細(xì)通道、異形結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)優(yōu)化熱沉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以顯著提高其散熱性能。例如，清華大學(xué)呂志剛教授團(tuán)隊(duì)利用光固化增材制造技術(shù)制備了具有貫穿式歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)的陶瓷熱沉，相比傳統(tǒng)歧管微通道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提升了散熱效率，并減小了壓力損失。其次，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，根據(jù)不同設(shè)備的散熱需求，量身定制液冷熱沉，提高散熱系統(tǒng)的適配性和效率。再者，3D打印是一種增材制造技術(shù)，材料只在需要的地方被使用，極大地減少了廢料的產(chǎn)生，提高了材料利用率，符合環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求?；?D打印技術(shù)的高效液冷熱沉的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論方面，研究3D打印液冷熱沉的傳熱特性、流動(dòng)特性等，有助于深入理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱沉的散熱機(jī)理，豐富和完善熱管理理論體系。在實(shí)際應(yīng)用方面，開(kāi)發(fā)基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉，能夠滿足高功率密度設(shè)備日益增長(zhǎng)的散熱需求，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著高功率密度設(shè)備散熱需求的不斷增長(zhǎng)，3D打印液冷熱沉作為一種具有創(chuàng)新性的散熱解決方案，在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。在國(guó)外，美國(guó)、德國(guó)、新加坡等國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)和高校在該領(lǐng)域取得了一系列具有代表性的成果。美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)制造了具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的液冷熱沉，通過(guò)優(yōu)化微通道的形狀和布局，顯著提高了熱沉的散熱性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)制造的熱沉相比，3D打印熱沉在相同工況下，表面溫度降低了10-15℃，熱阻降低了20%-30%，有效提升了散熱效率。德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所則專注于3D打印金屬液冷熱沉的研究，通過(guò)改進(jìn)激光燒結(jié)工藝，提高了熱沉的致密度和力學(xué)性能，同時(shí)優(yōu)化了內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了散熱效果。新加坡國(guó)立大學(xué)的李寶勝教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了高效能的液冷技術(shù)，其中3D打印技術(shù)集成的防漏冷板設(shè)計(jì)成為了一項(xiàng)重要的創(chuàng)新。這種設(shè)計(jì)避免了傳統(tǒng)冷板焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)通過(guò)內(nèi)部液體的擾動(dòng)和強(qiáng)化換熱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更加高效的冷卻效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)風(fēng)冷技術(shù)相比，液冷技術(shù)能夠顯著降低CPU和GPU的溫度，并將服務(wù)器的能耗降低超過(guò)30%。國(guó)內(nèi)的清華大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)也在積極開(kāi)展3D打印液冷熱沉的研究工作，并取得了不少成果。清華大學(xué)呂志剛教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了液冷陶瓷熱沉增材制造的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究，通過(guò)光固化增材制造技術(shù)制備了具有貫穿式歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)的陶瓷熱沉，相比傳統(tǒng)歧管微通道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提升了散熱效率，并減小了壓力損失。在1L/min的流量下，貫穿式歧管微通道結(jié)構(gòu)的壓降和熱阻相比傳統(tǒng)歧管微通道結(jié)構(gòu)分別降低了19.8%和11.8%，并提高了溫度分布的均勻性。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)何志祝教授課題組提出了液壓驅(qū)動(dòng)適形化的高拉伸及高導(dǎo)熱彈性體基液冷熱沉技術(shù)，發(fā)展了基于3D打印技術(shù)的液態(tài)金屬-彈性體雙相互嵌三維仿生結(jié)構(gòu)制造工藝，建立了一種液壓驅(qū)動(dòng)彈性體適形化大尺度變形和傳熱強(qiáng)化策略，研制出用于拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱發(fā)電的輕量化緊湊型熱電裝置。北京工業(yè)大學(xué)的王燕靈等人對(duì)基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)優(yōu)化熱沉的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流動(dòng)參數(shù)，提高了熱沉的散熱性能，并對(duì)3D打印液冷熱沉的制造工藝和性能測(cè)試方法進(jìn)行了深入探討。從研究趨勢(shì)來(lái)看，一方面，對(duì)3D打印液冷熱沉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)將不斷深入，通過(guò)采用先進(jìn)的數(shù)值模擬方法和人工智能算法，進(jìn)一步挖掘熱沉結(jié)構(gòu)的散熱潛力，實(shí)現(xiàn)熱沉性能的最大化提升。例如，利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，可以在滿足一定約束條件下，尋找熱沉內(nèi)部材料的最優(yōu)分布，從而得到性能更優(yōu)的熱沉結(jié)構(gòu)。另一方面，新型材料在3D打印液冷熱沉中的應(yīng)用研究也將成為熱點(diǎn)，如陶瓷基復(fù)合材料、高導(dǎo)熱金屬材料、液態(tài)金屬等，這些材料具有優(yōu)異的熱物理性能，有望進(jìn)一步提高熱沉的散熱性能和可靠性。此外，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，打印精度、速度和成本等問(wèn)題將逐步得到解決，為3D打印液冷熱沉的大規(guī)模應(yīng)用提供有力支持。在應(yīng)用領(lǐng)域，3D打印液冷熱沉將不僅局限于電子設(shè)備散熱，還將在新能源汽車、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，以滿足不同領(lǐng)域?qū)Ω咝岬男枨蟆?.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉展開(kāi)，旨在深入探究其散熱性能及優(yōu)化方法，具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：3D打印液冷熱沉的傳熱與流動(dòng)理論研究：深入剖析液冷熱沉內(nèi)部的傳熱與流動(dòng)機(jī)制，運(yùn)用傳熱學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)理論，構(gòu)建液冷熱沉的傳熱與流動(dòng)數(shù)學(xué)模型。詳細(xì)研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（如微通道的形狀、尺寸、間距，流道的布局等）和工況參數(shù)（如冷卻液的流量、溫度、流速等）對(duì)傳熱系數(shù)、熱阻、壓力損失等性能指標(biāo)的影響規(guī)律。通過(guò)理論分析，為液冷熱沉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。3D打印液冷熱沉的實(shí)驗(yàn)研究：依據(jù)理論研究成果，精心設(shè)計(jì)并利用3D打印技術(shù)制造具有不同結(jié)構(gòu)的液冷熱沉實(shí)驗(yàn)樣本。搭建高精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，運(yùn)用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，如紅外熱成像技術(shù)測(cè)量熱沉表面溫度分布，壓差傳感器測(cè)量流道壓力損失，流量傳感器測(cè)量冷卻液流量等，對(duì)不同工況下液冷熱沉的散熱性能進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行深入對(duì)比，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)深入分析實(shí)驗(yàn)與理論之間的差異原因，為理論模型的進(jìn)一步完善提供依據(jù)。3D打印液冷熱沉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究：基于理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用先進(jìn)的優(yōu)化算法（如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等）和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)液冷熱沉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化。以提高散熱性能（如降低熱阻、提高傳熱系數(shù)）和降低壓力損失為優(yōu)化目標(biāo)，綜合考慮制造工藝的可行性和成本因素，確定液冷熱沉的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)液冷熱沉性能的最大化提升，滿足高功率密度設(shè)備日益增長(zhǎng)的散熱需求。在研究過(guò)程中，將綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的全面性、深入性和準(zhǔn)確性：理論分析方法：運(yùn)用經(jīng)典的傳熱學(xué)和流體力學(xué)理論，如傅里葉定律、牛頓冷卻定律、伯努利方程等，對(duì)液冷熱沉內(nèi)部的傳熱與流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)學(xué)描述和分析。建立精確的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值求解，深入研究各種參數(shù)對(duì)液冷熱沉性能的影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要的理論指導(dǎo)。數(shù)值模擬方法：借助專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件（如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等）和有限元分析軟件，對(duì)液冷熱沉內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)模擬不同結(jié)構(gòu)和工況下的傳熱與流動(dòng)情況，全面了解液冷熱沉的性能表現(xiàn)，預(yù)測(cè)熱沉的溫度分布、壓力損失等關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)值模擬方法能夠快速、直觀地展示各種因素對(duì)熱沉性能的影響，為實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供重要參考，同時(shí)也可以大大減少實(shí)驗(yàn)工作量和成本。實(shí)驗(yàn)研究方法：設(shè)計(jì)并搭建完善的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)3D打印制造的液冷熱沉進(jìn)行實(shí)際性能測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括熱沉表面溫度、壓力損失、冷卻液流量等關(guān)鍵性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)研究方法能夠真實(shí)地反映液冷熱沉在實(shí)際工作條件下的性能表現(xiàn)，為理論研究和數(shù)值模擬提供驗(yàn)證依據(jù)，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)一些理論和模擬研究中難以考慮到的實(shí)際問(wèn)題。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.13D打印技術(shù)原理與工藝3D打印技術(shù)，又被稱為增材制造技術(shù)，其核心原理是依據(jù)三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過(guò)層層堆積材料的方式來(lái)構(gòu)建三維實(shí)體。這與傳統(tǒng)的減材制造（如切削、打磨等去除材料的方式）和等材制造（如鑄造、鍛造等在成型過(guò)程中材料總量基本不變的方式）有著本質(zhì)區(qū)別。3D打印技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要涵蓋建模、切片、物理轉(zhuǎn)換（打?。┖秃筇幚磉@四個(gè)關(guān)鍵步驟。在建模階段，通常運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件或者3D掃描儀來(lái)生成三維模型。CAD軟件能夠精確地設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜的形狀和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際需求自由地調(diào)整模型的參數(shù)和細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高度個(gè)性化的設(shè)計(jì)。例如，在設(shè)計(jì)液冷熱沉?xí)r，可以根據(jù)熱沉的散熱需求，設(shè)計(jì)出具有特殊微通道結(jié)構(gòu)和異形流道的三維模型，以提高熱沉的散熱性能。3D掃描儀則可以對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描，快速獲取其三維數(shù)據(jù)，然后通過(guò)軟件處理生成三維模型，這在對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)制或改進(jìn)時(shí)非常有用。切片處理是將三維模型分割成一系列具有一定厚度的二維薄片的過(guò)程。切片軟件會(huì)依據(jù)打印機(jī)的特性和所使用材料的性質(zhì)，確定每層的厚度以及其他打印參數(shù)，如填充密度、打印速度等。這些參數(shù)的設(shè)置直接影響到打印物體的質(zhì)量和性能。例如，較小的層厚可以使打印物體的表面更加光滑，精度更高，但同時(shí)也會(huì)增加打印時(shí)間；較高的填充密度可以提高物體的強(qiáng)度，但會(huì)消耗更多的材料。在液冷熱沉的打印中，合理設(shè)置切片參數(shù)對(duì)于保證熱沉內(nèi)部流道的精度和質(zhì)量至關(guān)重要，例如確保微通道的尺寸精度，以滿足冷卻液的流動(dòng)要求。物理轉(zhuǎn)換（打?。┻^(guò)程是3D打印機(jī)根據(jù)切片數(shù)據(jù)，通過(guò)噴頭、激光或電子束等方式，將材料逐層堆積，逐步形成三維實(shí)體的過(guò)程。不同的3D打印工藝在這一過(guò)程中有著不同的實(shí)現(xiàn)方式。常見(jiàn)的3D打印工藝包括熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、立體光固化（SLA）等，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。FDM工藝是將絲狀的熱塑性材料加熱熔化，通過(guò)噴頭擠出并按照切片數(shù)據(jù)逐層堆積在打印平臺(tái)上，冷卻后固化形成三維物體。該工藝具有成本較低、設(shè)備操作簡(jiǎn)單、材料選擇多樣等優(yōu)點(diǎn)，常用的材料有聚乳酸（PLA）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等。在液冷熱沉的制造中，如果對(duì)熱沉的精度和性能要求不是特別高，且熱沉的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，F(xiàn)DM工藝可以作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。例如，對(duì)于一些初步的實(shí)驗(yàn)研究或簡(jiǎn)單的散熱裝置原型制作，F(xiàn)DM工藝能夠快速制造出熱沉，幫助研究人員驗(yàn)證設(shè)計(jì)思路和初步性能。然而，F(xiàn)DM工藝也存在一些缺點(diǎn)，如打印精度相對(duì)較低，表面粗糙度較大，這是由于噴頭擠出材料的方式導(dǎo)致層與層之間的堆積不夠緊密，會(huì)在物體表面留下明顯的紋路，影響熱沉的散熱效果和外觀質(zhì)量；此外，F(xiàn)DM工藝在打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，可能需要添加支撐結(jié)構(gòu)，這些支撐結(jié)構(gòu)在打印完成后需要去除，增加了后處理的工作量，且可能會(huì)對(duì)熱沉的結(jié)構(gòu)造成一定的損傷。SLS工藝則是利用高功率激光束選擇性地?zé)Y(jié)粉末材料，使粉末在激光的作用下熔化并相互粘結(jié)，逐層構(gòu)建出實(shí)體模型。該工藝能夠使用多種材料，如尼龍、金屬、陶瓷等，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的原型制作和功能性零件的生產(chǎn)。由于其制造過(guò)程無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)（因?yàn)槲幢患す鉄Y(jié)的粉末可以起到支撐作用），特別適合用于生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的零件，如內(nèi)部具有復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的液冷熱沉。在制造液冷熱沉?xí)r，SLS工藝可以精確地構(gòu)建出熱沉內(nèi)部的微細(xì)通道和異形結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)能夠優(yōu)化冷卻液的流動(dòng)路徑，增強(qiáng)換熱效果。SLS工藝的優(yōu)點(diǎn)還包括材料利用率高，因?yàn)槲礋Y(jié)的粉末可以回收再利用；能夠制造出高強(qiáng)度、高精度的零件，滿足高功率密度設(shè)備對(duì)液冷熱沉性能的嚴(yán)格要求。不過(guò)，SLS工藝也存在設(shè)備成本高、打印速度較慢、粉末材料價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，這限制了其在大規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用。例如，一臺(tái)SLS打印機(jī)的價(jià)格通常在幾十萬(wàn)元到上百萬(wàn)元不等，使得一些小型企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)難以承擔(dān)；而且SLS工藝的打印速度相對(duì)較慢，對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)效率較低，增加了生產(chǎn)成本。SLA工藝使用紫外激光按照每一層的輪廓固化液態(tài)光敏樹(shù)脂，逐層構(gòu)建物體。該工藝能夠制作出精度極高的模型，表面質(zhì)量好，常用于珠寶、醫(yī)療、牙科以及工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在液冷熱沉的制造中，SLA工藝可以制造出具有高精度和光滑表面的熱沉，對(duì)于一些對(duì)熱沉表面質(zhì)量要求苛刻的應(yīng)用場(chǎng)景，如電子設(shè)備中對(duì)散熱性能和外觀都有較高要求的液冷熱沉，SLA工藝具有很大的優(yōu)勢(shì)。SLA工藝的高精度使得熱沉內(nèi)部的微通道和流道結(jié)構(gòu)能夠得到精確的控制，減少流動(dòng)阻力，提高散熱效率；光滑的表面也有利于減少熱阻，增強(qiáng)熱傳遞效果。然而，SLA工藝也存在一些局限性，如可使用的材料種類相對(duì)較少，主要是各種光敏樹(shù)脂；固化后的樹(shù)脂材料力學(xué)性能相對(duì)較弱，在一些需要承受較大機(jī)械應(yīng)力的場(chǎng)合可能不太適用；此外，SLA工藝的后處理過(guò)程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行清洗、固化等步驟，以去除未固化的樹(shù)脂并提高零件的性能。除了上述三種常見(jiàn)的3D打印工藝外，還有其他一些工藝，如電子束粉末床熔融（EBM）、粘結(jié)劑噴射、激光/電子束能量沉積工藝、電弧增材制造、攪拌摩擦增材制造等，它們?cè)诓牧线m應(yīng)性、成型精度、生產(chǎn)效率、成本等方面各有優(yōu)劣，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。在液冷熱沉的制造中，選擇合適的3D打印工藝需要綜合考慮熱沉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能要求、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率等多方面因素，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的制造效果。2.2液冷熱沉工作原理與傳熱理論液冷熱沉作為液冷系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其工作原理基于液體的熱傳遞特性。在液冷系統(tǒng)中，液冷熱沉與發(fā)熱源緊密接觸，發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞至熱沉表面。冷卻液在熱沉內(nèi)部的流道中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)對(duì)流換熱的方式將熱量從熱沉表面帶走，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱源的冷卻。以電子設(shè)備中的液冷熱沉為例，當(dāng)電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)，芯片等發(fā)熱元件會(huì)產(chǎn)生大量熱量。這些熱量首先通過(guò)芯片與熱沉之間的界面?zhèn)鬟f至熱沉本體。熱沉通常采用高導(dǎo)熱材料制成，如銅、鋁等，以減少熱阻，提高熱傳導(dǎo)效率。冷卻液（如水、乙二醇溶液等）在泵的驅(qū)動(dòng)下，以一定的流速進(jìn)入熱沉內(nèi)部的流道。由于冷卻液的溫度低于熱沉表面溫度，熱量會(huì)從熱沉表面?zhèn)鬟f至冷卻液中，使冷卻液溫度升高。被加熱的冷卻液流出熱沉后，進(jìn)入散熱器等散熱裝置，將熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中，溫度降低后再重新回到熱沉，繼續(xù)循環(huán)工作。在液冷熱沉的傳熱過(guò)程中，涉及到多種傳熱學(xué)基本理論。其中，熱傳導(dǎo)是指熱量在物體內(nèi)部或相互接觸的物體之間，由于分子、原子或電子的微觀熱運(yùn)動(dòng)而傳遞的現(xiàn)象。其基本定律是傅里葉定律，表達(dá)式為q=-\lambda\frac{dT}{dx}，其中q為熱流密度（W/m^2），表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的熱量；\lambda為導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m\cdotK)），是材料的熱物性參數(shù)，反映了材料導(dǎo)熱能力的強(qiáng)弱，不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，例如銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為401W/(m\cdotK)，而鋁的導(dǎo)熱系數(shù)約為237W/(m\cdotK)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，材料的導(dǎo)熱性能越好；\frac{dT}{dx}為溫度梯度（K/m），表示沿?zé)崃鞣较蛏蠁挝婚L(zhǎng)度的溫度變化率，負(fù)號(hào)表示熱流方向與溫度梯度方向相反，即熱量總是從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。在液冷熱沉中，熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在熱沉本體以及發(fā)熱源與熱沉的接觸界面處，熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱沉的厚度、形狀等因素都會(huì)影響熱傳導(dǎo)的效果。例如，采用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料制作熱沉，或者減小熱沉的厚度，可以降低熱傳導(dǎo)熱阻，提高熱傳遞效率。熱對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，從而導(dǎo)致熱量傳遞的現(xiàn)象。在液冷熱沉中，熱對(duì)流主要發(fā)生在冷卻液與熱沉內(nèi)壁之間。熱對(duì)流又可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，自然對(duì)流是由于流體內(nèi)部的溫度差引起密度差異，從而導(dǎo)致流體的自然流動(dòng)；強(qiáng)制對(duì)流則是通過(guò)外力（如泵、風(fēng)機(jī)等）推動(dòng)流體流動(dòng)。在液冷熱沉中，通常采用強(qiáng)制對(duì)流的方式，以提高冷卻液的流速，增強(qiáng)換熱效果。對(duì)流換熱的基本定律是牛頓冷卻定律，表達(dá)式為q=h(T_w-T_f)，其中h為對(duì)流換熱系數(shù)（W/(m^2\cdotK)），它不是物性參數(shù)，其值反映了對(duì)流換熱能力的大小，受到多種因素的影響，如流體的性質(zhì)（密度、粘度、比熱容等）、流速、流道的形狀和尺寸等，一般來(lái)說(shuō)，流體流速越大，對(duì)流換熱系數(shù)越高；T_w為壁面溫度（K），即熱沉內(nèi)壁的溫度；T_f為流體溫度（K），即冷卻液的溫度。對(duì)流換熱系數(shù)的大小直接影響著液冷熱沉的散熱性能，提高對(duì)流換熱系數(shù)可以有效降低熱沉表面溫度，增強(qiáng)散熱效果。例如，通過(guò)優(yōu)化熱沉內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)，增加冷卻液的流速，或者選擇合適的冷卻液，可以提高對(duì)流換熱系數(shù)。熱輻射是指由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)而使物體向外發(fā)射輻射能的現(xiàn)象。在液冷熱沉中，雖然熱輻射在整個(gè)傳熱過(guò)程中所占的比例相對(duì)較小，但在某些情況下（如高溫環(huán)境或?qū)ι嵋髽O高的場(chǎng)合），也不能忽視。熱輻射的基本定律是斯蒂芬-玻爾茲曼定律，表達(dá)式為q=\sigma\epsilonT^4，其中q為輻射熱流密度（W/m^2）；\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)；\epsilon為物體的發(fā)射率，其值與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān)，取值范圍在0到1之間，發(fā)射率越大，物體的輻射能力越強(qiáng)；T為物體的熱力學(xué)溫度（K）。物體的輻射能力與溫度的四次方成正比，因此，在高溫情況下，熱輻射的影響會(huì)更加顯著。例如，在航空航天領(lǐng)域，一些設(shè)備在高溫環(huán)境下運(yùn)行，液冷熱沉的熱輻射散熱就需要進(jìn)行考慮和分析。2.3計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）基礎(chǔ)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是一門融合了經(jīng)典力學(xué)、數(shù)值計(jì)算方法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的交叉學(xué)科，其核心在于運(yùn)用數(shù)值計(jì)算手段對(duì)流體流動(dòng)的控制方程進(jìn)行直接求解，從而揭示各類流動(dòng)現(xiàn)象背后的規(guī)律。在液冷熱沉的研究中，CFD技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠深入分析熱沉內(nèi)部的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況。CFD的理論基礎(chǔ)建立在一系列基本方程之上，其中最核心的是納維-斯托克斯（N-S）方程。N-S方程是描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程，其矢量形式為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}其中，\rho為流體密度（kg/m^3），它反映了單位體積內(nèi)流體的質(zhì)量，不同的冷卻液（如水、乙二醇溶液等）具有不同的密度，這會(huì)對(duì)液冷熱沉內(nèi)的流動(dòng)和傳熱產(chǎn)生影響；\vec{v}為速度矢量（m/s），表示流體在空間中的運(yùn)動(dòng)速度和方向，其大小和方向的變化直接決定了冷卻液在熱沉流道中的流動(dòng)狀態(tài)，如流速的大小影響對(duì)流換熱的強(qiáng)度；t為時(shí)間（s），用于描述流體運(yùn)動(dòng)隨時(shí)間的變化過(guò)程，在瞬態(tài)分析中，時(shí)間變量對(duì)于研究液冷熱沉啟動(dòng)、停止或工況變化時(shí)的熱響應(yīng)十分關(guān)鍵；p為壓力（Pa），是流體內(nèi)部的壓強(qiáng)，壓力分布決定了冷卻液在流道中的流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力，壓力差促使冷卻液在熱沉內(nèi)循環(huán)流動(dòng)；\mu為動(dòng)力粘度（Pa\cdots），體現(xiàn)了流體的粘性特性，粘性影響流體的流動(dòng)阻力，不同冷卻液的動(dòng)力粘度不同，會(huì)導(dǎo)致在相同流速下的壓力損失不同；\vec{F}為質(zhì)量力矢量（N/kg），如重力、電磁力等，在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景或考慮特殊效應(yīng)時(shí)，質(zhì)量力會(huì)對(duì)液冷熱沉內(nèi)的流體流動(dòng)產(chǎn)生影響。除了N-S方程，CFD分析還涉及質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）和能量守恒方程。連續(xù)性方程表示在流體流動(dòng)過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體的質(zhì)量差等于控制體內(nèi)質(zhì)量的變化率，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0能量守恒方程則描述了流體系統(tǒng)內(nèi)能量的轉(zhuǎn)化和守恒關(guān)系，對(duì)于包含傳熱的液冷熱沉系統(tǒng)，能量守恒方程可表示為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+q+\Phi其中，c_p為流體的定壓比熱容（J/(kg\cdotK)），反映了單位質(zhì)量流體在定壓下溫度升高1K所吸收的熱量，不同冷卻液的定壓比熱容不同，這會(huì)影響其攜帶和傳遞熱量的能力；T為溫度（K），是研究液冷熱沉傳熱性能的關(guān)鍵參數(shù)，溫度分布直接反映了熱沉的散熱效果；k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m\cdotK)），體現(xiàn)了流體傳導(dǎo)熱量的能力，導(dǎo)熱系數(shù)的大小影響流體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò)程；q為內(nèi)熱源強(qiáng)度（W/m^3），在液冷熱沉中，若存在發(fā)熱元件與冷卻液直接接觸，內(nèi)熱源會(huì)對(duì)冷卻液的溫度變化產(chǎn)生影響；\Phi為粘性耗散項(xiàng)（W/m^3），表示由于流體粘性作用導(dǎo)致機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分，在高速流動(dòng)或粘性較大的情況下，粘性耗散效應(yīng)可能不可忽略。在實(shí)際應(yīng)用CFD技術(shù)分析液冷熱沉的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)時(shí)，首先需要對(duì)液冷熱沉的物理模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。由于實(shí)際的液冷熱沉結(jié)構(gòu)可能非常復(fù)雜，包含各種異形流道、微通道以及復(fù)雜的邊界條件，為了便于數(shù)值計(jì)算，需要在不影響關(guān)鍵物理現(xiàn)象的前提下，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。例如，忽略一些微小的結(jié)構(gòu)特征，將復(fù)雜的流道形狀近似為規(guī)則的幾何形狀等。同時(shí)，要準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件，常見(jiàn)的邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件等。入口邊界條件通常給定冷卻液的流速、溫度、壓力等參數(shù)，以確定冷卻液進(jìn)入熱沉?xí)r的狀態(tài)；出口邊界條件則一般設(shè)定為壓力出口或質(zhì)量流量出口，用于模擬冷卻液流出熱沉的情況；壁面邊界條件需要考慮壁面的熱傳遞特性，如給定壁面的溫度、熱流密度或?qū)α鲹Q熱系數(shù)等，以準(zhǔn)確模擬冷卻液與熱沉壁面之間的傳熱過(guò)程。以一個(gè)典型的具有微通道結(jié)構(gòu)的液冷熱沉為例，利用CFD軟件（如ANSYSFluent）進(jìn)行分析。首先，在軟件中建立液冷熱沉的三維模型，根據(jù)實(shí)際尺寸精確繪制微通道的形狀和布局。然后，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的質(zhì)量和密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率有著重要影響。對(duì)于微通道區(qū)域，由于流動(dòng)和傳熱的變化較為劇烈，需要采用較密的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以準(zhǔn)確捕捉物理量的變化；而對(duì)于一些相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域，可以適當(dāng)采用較稀疏的網(wǎng)格，以減少計(jì)算量。在設(shè)置邊界條件時(shí)，入口邊界給定冷卻液的入口流速為0.5m/s，溫度為298K；出口邊界設(shè)定為壓力出口，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；壁面邊界設(shè)定為恒溫壁面，溫度為323K，模擬發(fā)熱源傳遞到熱沉壁面的溫度。通過(guò)CFD模擬計(jì)算，可以得到液冷熱沉內(nèi)部詳細(xì)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布云圖。從流場(chǎng)云圖中，可以清晰地觀察到冷卻液在微通道內(nèi)的流動(dòng)情況，如流速的分布、是否存在流動(dòng)死角等。在微通道的某些狹窄部位，流速會(huì)明顯增大，這是由于通道截面積減小，根據(jù)連續(xù)性方程，流速會(huì)相應(yīng)增加。而在一些拐角處，可能會(huì)出現(xiàn)流速較低的區(qū)域，形成流動(dòng)死角，這會(huì)影響冷卻液的換熱效果，導(dǎo)致局部溫度升高。從溫度場(chǎng)云圖中，可以直觀地看到熱沉內(nèi)部的溫度分布情況，確定高溫區(qū)域和低溫區(qū)域。在靠近發(fā)熱源的壁面附近，溫度較高，隨著冷卻液的流動(dòng)，溫度逐漸降低。通過(guò)分析溫度場(chǎng)云圖，可以評(píng)估熱沉的散熱均勻性，若存在較大的溫度梯度，說(shuō)明散熱不均勻，可能需要進(jìn)一步優(yōu)化熱沉的結(jié)構(gòu)或流動(dòng)參數(shù)。CFD技術(shù)還可以用于研究不同參數(shù)對(duì)液冷熱沉性能的影響。例如，改變冷卻液的流量、流速、入口溫度等參數(shù)，通過(guò)模擬計(jì)算觀察流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化，從而分析這些參數(shù)對(duì)熱沉散熱性能的影響規(guī)律。當(dāng)冷卻液流量增加時(shí)，流速相應(yīng)增大，對(duì)流換熱系數(shù)提高，熱沉的散熱效果會(huì)得到改善，表面平均溫度會(huì)降低；而當(dāng)入口溫度升高時(shí)，熱沉的整體溫度會(huì)升高，散熱難度增大。通過(guò)CFD模擬，可以快速、全面地了解各種參數(shù)對(duì)液冷熱沉性能的影響，為熱沉的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。三、基于3D打印技術(shù)的液冷熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1液冷熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析在眾多領(lǐng)域中，高功率密度設(shè)備的廣泛應(yīng)用對(duì)液冷熱沉的性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。以數(shù)據(jù)中心為例，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和功率密度不斷攀升。一臺(tái)普通的服務(wù)器功率可達(dá)數(shù)千瓦，而大型數(shù)據(jù)中心中包含成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，總功率密度極高。在航空航天領(lǐng)域，飛行器上的電子設(shè)備集成度越來(lái)越高，如先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的航電系統(tǒng)，其功率密度相較于早期型號(hào)大幅提升，對(duì)散熱的需求也更為迫切。這些高功率密度設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，若不能及時(shí)有效散熱，將導(dǎo)致設(shè)備溫度過(guò)高，進(jìn)而影響其性能和可靠性。對(duì)于液冷熱沉而言，散熱效率是其最為關(guān)鍵的性能指標(biāo)之一。散熱效率直接關(guān)系到設(shè)備能否在正常溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。熱阻是衡量散熱效率的重要參數(shù)，它反映了熱量從發(fā)熱源傳遞到冷卻液過(guò)程中的阻力大小。熱阻越低，說(shuō)明熱量傳遞越順暢，散熱效率越高。根據(jù)傳熱學(xué)原理，熱阻R與傳熱系數(shù)h、傳熱面積A等因素相關(guān)，表達(dá)式為R=\frac{1}{hA}。在實(shí)際應(yīng)用中，降低熱阻的方法主要有提高傳熱系數(shù)和增大傳熱面積。從傳熱系數(shù)的角度來(lái)看，冷卻液的流速對(duì)其有著顯著影響。當(dāng)冷卻液流速增加時(shí)，對(duì)流換熱增強(qiáng)，傳熱系數(shù)增大。清華大學(xué)呂志剛教授團(tuán)隊(duì)在研究液冷陶瓷熱沉?xí)r發(fā)現(xiàn)，通過(guò)優(yōu)化微通道結(jié)構(gòu)，提高冷卻液流速，傳熱系數(shù)得到了有效提升，從而降低了熱沉的熱阻。此外，冷卻液的物理性質(zhì)，如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等，也會(huì)影響傳熱系數(shù)。比熱容大的冷卻液能夠吸收更多的熱量，導(dǎo)熱系數(shù)高的冷卻液則能更快地傳遞熱量，都有助于提高傳熱系數(shù)。增大傳熱面積也是提高散熱效率的重要途徑。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的液冷熱沉提供了可能，通過(guò)設(shè)計(jì)如微通道、翅片等結(jié)構(gòu)，可以大幅增加熱沉與冷卻液的接觸面積，從而提高傳熱面積。例如，一些研究通過(guò)3D打印制造出具有高密度微通道的液冷熱沉，微通道的存在極大地增加了傳熱面積，使散熱效率得到了顯著提升。壓力損失是液冷熱沉設(shè)計(jì)中需要考慮的另一個(gè)重要因素。在液冷系統(tǒng)中，冷卻液在熱沉內(nèi)部的流道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)與流道壁面發(fā)生摩擦，同時(shí)還會(huì)受到流道形狀變化、彎道等因素的影響，從而產(chǎn)生壓力損失。壓力損失過(guò)大會(huì)增加泵的功耗，降低系統(tǒng)的能效，甚至可能導(dǎo)致冷卻液流量不足，影響散熱效果。根據(jù)流體力學(xué)原理，壓力損失\DeltaP與流體的流速v、粘度\mu、流道長(zhǎng)度L、流道直徑d等因素有關(guān)，在圓形直管中，壓力損失可通過(guò)達(dá)西公式計(jì)算：\DeltaP=\lambda\frac{L}0wuages\frac{\rhov^{2}}{2}，其中\(zhòng)lambda為沿程阻力系數(shù)，與流道的粗糙度和雷諾數(shù)有關(guān)。從公式中可以看出，流速越高、流道越長(zhǎng)、直徑越小，壓力損失越大。在液冷熱沉設(shè)計(jì)中，需要在保證散熱效率的前提下，盡量降低壓力損失。這可以通過(guò)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如采用光滑的流道壁面，減少流道中的彎道和突變，使冷卻液流動(dòng)更加順暢，從而降低沿程阻力系數(shù)，減小壓力損失。合理設(shè)計(jì)流道的直徑和長(zhǎng)度，在滿足散熱需求的情況下，避免流道過(guò)長(zhǎng)或過(guò)細(xì)，也能有效降低壓力損失。除了散熱效率和壓力損失，熱沉的結(jié)構(gòu)緊湊性也是設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的要點(diǎn)。在許多應(yīng)用場(chǎng)景中，空間資源往往非常有限，如航空航天設(shè)備、便攜式電子設(shè)備等。這就要求液冷熱沉在保證良好散熱性能的同時(shí)，盡可能減小體積和重量，以適應(yīng)有限的空間。3D打印技術(shù)能夠制造出復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在不增加體積的情況下，提高散熱性能，滿足結(jié)構(gòu)緊湊性的要求。例如，通過(guò)3D打印制造的一體化液冷熱沉，將多個(gè)散熱部件集成在一起，減少了連接件和額外的空間占用，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的緊湊化。在材料選擇方面，采用輕質(zhì)、高導(dǎo)熱的材料，如鋁合金、鈦合金等，既能保證熱沉的散熱性能，又能減輕重量，滿足結(jié)構(gòu)緊湊性的需求。在實(shí)際應(yīng)用中，不同的場(chǎng)景對(duì)液冷熱沉的性能需求有所不同。在數(shù)據(jù)中心中，由于設(shè)備數(shù)量眾多，對(duì)散熱效率和壓力損失都有較高要求，同時(shí)也需要考慮熱沉的可維護(hù)性和成本。而在航空航天領(lǐng)域，除了散熱性能和結(jié)構(gòu)緊湊性外，熱沉的可靠性和抗振動(dòng)性能也至關(guān)重要，因?yàn)轱w行器在飛行過(guò)程中會(huì)受到各種復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境影響。因此，在液冷熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)和需求，進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳的性能表現(xiàn)。3.23D打印技術(shù)對(duì)液冷熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響3D打印技術(shù)作為一種具有創(chuàng)新性的制造技術(shù)，對(duì)液冷熱沉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)的諸多限制，為液冷熱沉的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提供了廣闊的空間。傳統(tǒng)的液冷熱沉制造工藝，如鑄造、機(jī)械加工等，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面存在著明顯的局限性。鑄造工藝雖然能夠制造出形狀較為復(fù)雜的熱沉，但由于其成型原理是將液態(tài)金屬或其他材料倒入模具型腔中冷卻凝固，難以精確控制內(nèi)部結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀，容易出現(xiàn)氣孔、縮孔等缺陷，影響熱沉的性能和可靠性。機(jī)械加工工藝則主要通過(guò)切削、鉆孔等方式去除材料來(lái)形成所需的形狀，對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如微細(xì)通道、異形流道等）的液冷熱沉，傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝往往面臨著加工難度大、成本高甚至無(wú)法加工的問(wèn)題。例如，在制造具有微細(xì)通道結(jié)構(gòu)的液冷熱沉?xí)r，傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝需要使用高精度的加工設(shè)備和復(fù)雜的加工工藝，且加工過(guò)程中容易出現(xiàn)刀具磨損、加工精度難以保證等問(wèn)題，導(dǎo)致加工成本大幅增加。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了這種局面。3D打印技術(shù)具有極高的設(shè)計(jì)自由度，能夠直接根據(jù)三維模型，通過(guò)逐層堆積材料的方式制造出各種復(fù)雜形狀的液冷熱沉。這使得設(shè)計(jì)人員可以擺脫傳統(tǒng)制造工藝的束縛，充分發(fā)揮想象力，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)化的熱沉結(jié)構(gòu)。例如，清華大學(xué)呂志剛教授團(tuán)隊(duì)利用光固化增材制造技術(shù)制備了具有貫穿式歧管微通道冷卻結(jié)構(gòu)的陶瓷熱沉，這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)制造工藝難以實(shí)現(xiàn)的。貫穿式歧管微通道結(jié)構(gòu)通過(guò)優(yōu)化冷卻液的流動(dòng)路徑，減少了流動(dòng)阻力，提高了進(jìn)出歧管流動(dòng)的傳熱與水力學(xué)效率，相比傳統(tǒng)歧管微通道結(jié)構(gòu)，在1L/min的流量下，壓降和熱阻分別降低了19.8%和11.8%，并提高了溫度分布的均勻性。3D打印技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)液冷熱沉的一體化制造。傳統(tǒng)制造工藝通常需要將多個(gè)零部件分別加工，然后通過(guò)焊接、鉚接等方式組裝在一起，這種方式不僅增加了制造工藝的復(fù)雜性和成本，而且在零部件的連接部位容易出現(xiàn)熱阻增大、密封性能差等問(wèn)題，影響熱沉的整體性能。3D打印技術(shù)則可以一次性打印出整個(gè)液冷熱沉，避免了零部件之間的連接，減少了熱阻，提高了密封性能和整體可靠性。例如，一些采用3D打印技術(shù)制造的液冷熱沉，將冷卻液入口、出口、流道以及散熱翅片等結(jié)構(gòu)一體化打印成型，減少了連接部件，使熱沉的結(jié)構(gòu)更加緊湊，散熱性能得到了顯著提升。3D打印技術(shù)在制造具有異形結(jié)構(gòu)的液冷熱沉方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。異形結(jié)構(gòu)可以根據(jù)熱流分布和散熱需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高熱沉的散熱性能。例如，通過(guò)設(shè)計(jì)異形的散熱翅片結(jié)構(gòu)，可以增加散熱面積，提高對(duì)流換熱效率；設(shè)計(jì)異形的流道結(jié)構(gòu)，可以使冷卻液更加均勻地分布在熱沉內(nèi)部，避免出現(xiàn)流動(dòng)死角，從而提高整體散熱效果。在一些航空航天領(lǐng)域的液冷熱沉設(shè)計(jì)中，利用3D打印技術(shù)制造的異形結(jié)構(gòu)熱沉，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的空間布局和熱管理需求，在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效散熱。3D打印技術(shù)還為液冷熱沉的個(gè)性化定制提供了可能。不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)液冷熱沉的性能需求各不相同，傳統(tǒng)制造工藝難以滿足這種個(gè)性化的需求。3D打印技術(shù)可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，快速調(diào)整設(shè)計(jì)方案，制造出符合特定要求的液冷熱沉。例如，在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域，針對(duì)不同型號(hào)的芯片或電路板，3D打印技術(shù)可以定制與之匹配的液冷熱沉，提高散熱系統(tǒng)的適配性和效率。3.3新型液冷熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析為了更直觀地展示新型液冷熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，以一款用于高功率密度電子設(shè)備的液冷熱沉為例進(jìn)行深入分析。該電子設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，對(duì)液冷熱沉的散熱性能提出了極高的要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，充分利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種具有異形微通道和一體化散熱翅片的液冷熱沉結(jié)構(gòu)。熱沉主體采用高導(dǎo)熱的銅合金材料，以提高熱傳導(dǎo)效率。微通道設(shè)計(jì)為異形結(jié)構(gòu)，其截面形狀并非傳統(tǒng)的圓形或矩形，而是根據(jù)冷卻液的流動(dòng)特性和傳熱需求，優(yōu)化為一種特殊的曲線形狀。這種異形微通道結(jié)構(gòu)能夠有效增加冷卻液與熱沉壁面的接觸面積，同時(shí)促進(jìn)冷卻液的湍流程度，從而提高對(duì)流換熱系數(shù)。在微通道的布局上，采用了一種交錯(cuò)排列的方式。與傳統(tǒng)的平行排列微通道相比，交錯(cuò)排列的微通道可以使冷卻液在熱沉內(nèi)部的流動(dòng)更加均勻，避免出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象。通過(guò)CFD模擬分析發(fā)現(xiàn)，在相同的流量和入口溫度條件下，交錯(cuò)排列微通道的液冷熱沉，其熱沉表面的最高溫度比平行排列微通道的熱沉降低了約5℃，溫度分布更加均勻，有效提高了散熱效果。散熱翅片采用一體化設(shè)計(jì)，與熱沉主體通過(guò)3D打印一次性成型。翅片的形狀設(shè)計(jì)為波浪形，這種異形翅片結(jié)構(gòu)增加了散熱面積，同時(shí)改變了空氣流動(dòng)的邊界層，增強(qiáng)了空氣與翅片之間的對(duì)流換熱。波浪形翅片的起伏高度和間距經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算，以達(dá)到最佳的散熱效果。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，裝有波浪形翅片的液冷熱沉，在自然對(duì)流條件下，其散熱功率比傳統(tǒng)平板翅片熱沉提高了約30%。與傳統(tǒng)液冷熱沉結(jié)構(gòu)相比，這種新型結(jié)構(gòu)在散熱性能和壓力損失方面展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。在散熱性能方面，新型液冷熱沉的熱阻顯著降低。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在相同的熱負(fù)荷和冷卻液流量下，新型液冷熱沉的熱阻比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)降低了約25%，能夠更有效地將熱量傳遞給冷卻液，降低電子設(shè)備的溫度。在壓力損失方面，雖然新型液冷熱沉的微通道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，其壓力損失并沒(méi)有顯著增加。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)冷卻液流量為1L/min時(shí)，新型液冷熱沉的壓力損失僅比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加了約10%，在可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)卻獲得了更好的散熱性能。通過(guò)這個(gè)案例可以看出，基于3D打印技術(shù)的新型液冷熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)優(yōu)化微通道和散熱翅片的結(jié)構(gòu)，有效提高散熱效率，降低熱阻，同時(shí)在一定程度上控制壓力損失，滿足高功率密度電子設(shè)備對(duì)散熱的嚴(yán)格要求，為液冷熱沉的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了新的思路和方法。四、基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉數(shù)值模擬4.1建立液冷熱沉數(shù)值模型為了深入研究基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉的性能，首先需要建立準(zhǔn)確的數(shù)值模型。在建模過(guò)程中，考慮到實(shí)際液冷熱沉結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了在保證計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，對(duì)模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。以一種具有復(fù)雜微通道結(jié)構(gòu)的液冷熱沉為例，該熱沉由熱沉主體、冷卻液入口和出口以及內(nèi)部微通道組成。在簡(jiǎn)化過(guò)程中，忽略了熱沉表面的一些微小的加工缺陷和粗糙度，將熱沉主體視為光滑的連續(xù)介質(zhì)。同時(shí)，對(duì)于微通道中的一些細(xì)微的拐角和過(guò)渡區(qū)域，在不影響整體流動(dòng)和傳熱特性的前提下，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)钠交幚?。這樣的簡(jiǎn)化既能夠減少計(jì)算量，又不會(huì)對(duì)關(guān)鍵的物理現(xiàn)象產(chǎn)生顯著影響。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵步驟，其質(zhì)量直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。對(duì)于液冷熱沉模型，采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法。在熱沉主體等結(jié)構(gòu)較為規(guī)則的區(qū)域，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)整的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)分布均勻，能夠提高計(jì)算精度，并且在計(jì)算過(guò)程中能夠更有效地傳遞物理量。例如，在熱沉主體的長(zhǎng)方體區(qū)域，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，通過(guò)合理設(shè)置網(wǎng)格尺寸，能夠精確地捕捉熱沉內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。而在微通道等結(jié)構(gòu)復(fù)雜且流動(dòng)和傳熱變化劇烈的區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，靈活地調(diào)整網(wǎng)格密度。對(duì)于形狀不規(guī)則的微通道，使用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，可以根據(jù)微通道的曲率和尺寸變化，在關(guān)鍵部位（如微通道的彎道、狹窄段等）加密網(wǎng)格，以更準(zhǔn)確地捕捉流體的流動(dòng)細(xì)節(jié)和傳熱過(guò)程。例如，在微通道的彎道處，加密網(wǎng)格可以更精確地模擬流體的轉(zhuǎn)彎流動(dòng)，捕捉由于離心力導(dǎo)致的速度和壓力分布變化，從而提高對(duì)傳熱系數(shù)和壓力損失的計(jì)算精度。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，還進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。通過(guò)逐步加密網(wǎng)格，計(jì)算不同網(wǎng)格數(shù)量下液冷熱沉的關(guān)鍵性能參數(shù)，如熱阻、壓力損失等。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度時(shí)，性能參數(shù)的變化趨于穩(wěn)定，此時(shí)的網(wǎng)格劃分方案被認(rèn)為是滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求的。例如，在本次模擬中，分別采用了10萬(wàn)、20萬(wàn)、30萬(wàn)和40萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格對(duì)液冷熱沉模型進(jìn)行劃分，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到30萬(wàn)時(shí)，熱阻和壓力損失的計(jì)算結(jié)果變化小于1%，因此最終選擇了30萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格的劃分方案，以在保證計(jì)算精度的同時(shí)，控制計(jì)算成本和計(jì)算時(shí)間。邊界條件的設(shè)置對(duì)于數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在液冷熱沉模型中，設(shè)置了以下邊界條件：入口邊界條件：將冷卻液入口設(shè)置為速度入口，給定冷卻液的入口流速和溫度。根據(jù)實(shí)際工況，冷卻液入口流速設(shè)定為0.5m/s，入口溫度設(shè)定為298K。這樣的設(shè)置能夠準(zhǔn)確模擬冷卻液進(jìn)入熱沉?xí)r的初始狀態(tài)，為后續(xù)的流動(dòng)和傳熱計(jì)算提供準(zhǔn)確的初始條件。出口邊界條件：出口設(shè)置為壓力出口，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在實(shí)際應(yīng)用中，冷卻液流出熱沉后進(jìn)入大氣環(huán)境或其他散熱裝置，出口壓力接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這種設(shè)置符合實(shí)際情況，能夠保證流體在出口處的流動(dòng)狀態(tài)合理，避免出現(xiàn)不合理的回流或壓力波動(dòng)。壁面邊界條件：熱沉與發(fā)熱源接觸的壁面設(shè)置為恒熱流邊界條件，根據(jù)發(fā)熱源的功率和熱沉與發(fā)熱源的接觸面積，計(jì)算得到壁面熱流密度為10000W/m^2。這模擬了發(fā)熱源向熱沉傳遞熱量的過(guò)程，確保熱量能夠從發(fā)熱源有效地傳遞到熱沉中。熱沉的其他外壁面設(shè)置為絕熱邊界條件，即壁面與外界環(huán)境之間沒(méi)有熱量交換。這是因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，熱沉通常被包裹在設(shè)備內(nèi)部，與外界環(huán)境的熱交換相對(duì)較小，忽略這些熱交換不會(huì)對(duì)熱沉內(nèi)部的主要傳熱過(guò)程產(chǎn)生顯著影響，能夠簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，提高計(jì)算效率。通過(guò)以上的模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，建立了能夠準(zhǔn)確模擬基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉內(nèi)部流動(dòng)和傳熱過(guò)程的數(shù)值模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析和性能研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。4.2模擬結(jié)果與分析利用已建立的數(shù)值模型，對(duì)基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉在不同工況下的性能進(jìn)行模擬分析，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)散熱性能的影響。首先，在冷卻液流量對(duì)熱沉性能的影響方面，保持其他參數(shù)不變，將冷卻液流量分別設(shè)置為0.3L/min、0.5L/min、0.7L/min和0.9L/min。模擬結(jié)果顯示，隨著冷卻液流量的增加，熱沉的散熱性能顯著提升。當(dāng)冷卻液流量從0.3L/min增加到0.5L/min時(shí)，熱沉表面的平均溫度從328K降低到323K，降低了5K；繼續(xù)將流量增加到0.7L/min，平均溫度進(jìn)一步降至319K，又降低了4K；當(dāng)流量增加到0.9L/min時(shí)，平均溫度為316K，相較于0.7L/min時(shí)降低了3K。這是因?yàn)槔鋮s液流量的增加，使得單位時(shí)間內(nèi)帶走的熱量增多，對(duì)流換熱系數(shù)增大，從而提高了散熱效率。熱阻是衡量熱沉散熱性能的重要指標(biāo)，隨著冷卻液流量的增加，熱阻呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。在0.3L/min的流量下，熱阻為0.3K/W；當(dāng)流量提升到0.5L/min時(shí)，熱阻降至0.25K/W，降低了約16.7%；流量達(dá)到0.7L/min時(shí)，熱阻為0.22K/W，相比0.5L/min時(shí)又降低了12%；當(dāng)流量為0.9L/min時(shí)，熱阻進(jìn)一步降至0.2K/W。這表明增加冷卻液流量能夠有效降低熱阻，使熱量更順暢地從熱沉傳遞到冷卻液中。壓力損失也隨著冷卻液流量的增加而增大。當(dāng)流量為0.3L/min時(shí)，壓力損失為1000Pa；流量增加到0.5L/min時(shí)，壓力損失上升至1800Pa，增加了80%；流量達(dá)到0.7L/min時(shí)，壓力損失為2800Pa，相比0.5L/min時(shí)增加了55.6%；當(dāng)流量為0.9L/min時(shí)，壓力損失達(dá)到4000Pa。這是由于流量增大，流體與流道壁面的摩擦加劇，同時(shí)在流道的彎道和狹窄部位，能量損失也相應(yīng)增加，導(dǎo)致壓力損失增大。其次，分析冷卻液入口溫度對(duì)熱沉性能的影響。將冷卻液入口溫度分別設(shè)置為293K、298K、303K和308K，保持冷卻液流量為0.5L/min等其他參數(shù)不變。模擬結(jié)果表明，隨著冷卻液入口溫度的升高，熱沉表面的平均溫度也隨之升高。當(dāng)入口溫度從293K升高到298K時(shí)，熱沉表面平均溫度從320K升高到325K，升高了5K；入口溫度進(jìn)一步升高到303K時(shí)，平均溫度達(dá)到330K，又升高了5K；當(dāng)入口溫度為308K時(shí)，平均溫度為335K。這是因?yàn)槔鋮s液入口溫度升高，其與熱沉表面的溫差減小，根據(jù)傳熱學(xué)原理，溫差減小會(huì)導(dǎo)致傳熱量減少，從而使熱沉表面溫度升高。熱阻隨著冷卻液入口溫度的升高略有增大。在入口溫度為293K時(shí)，熱阻為0.24K/W；入口溫度升高到298K時(shí)，熱阻增大到0.25K/W；當(dāng)入口溫度為303K時(shí)，熱阻為0.26K/W；入口溫度達(dá)到308K時(shí)，熱阻為0.27K/W。雖然熱阻的變化幅度相對(duì)較小，但仍表明入口溫度的升高會(huì)對(duì)熱沉的散熱性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。壓力損失在冷卻液入口溫度變化時(shí)基本保持不變。這是因?yàn)閴毫p失主要取決于流體的流速、流道結(jié)構(gòu)以及流體的粘性等因素，而冷卻液入口溫度的變化對(duì)這些因素的影響較小，所以在入口溫度從293K變化到308K的過(guò)程中，壓力損失始終維持在1800Pa左右。再者，研究微通道寬度對(duì)熱沉性能的影響。設(shè)置微通道寬度分別為0.5mm、1mm、1.5mm和2mm，保持冷卻液流量為0.5L/min，入口溫度為298K等其他參數(shù)不變。模擬結(jié)果顯示，隨著微通道寬度的增加，熱沉表面的平均溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)微通道寬度從0.5mm增加到1mm時(shí)，熱沉表面平均溫度從326K降低到323K，降低了3K；繼續(xù)將寬度增加到1.5mm時(shí)，平均溫度降至322K，又降低了1K；然而，當(dāng)微通道寬度增加到2mm時(shí)，平均溫度反而升高到324K。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)增加微通道寬度，能夠減小流體的流動(dòng)阻力，使冷卻液的流速更加均勻，從而提高對(duì)流換熱效率，降低熱沉表面溫度。但當(dāng)微通道寬度過(guò)大時(shí)，冷卻液與熱沉壁面的接觸面積相對(duì)減小，導(dǎo)致傳熱量減少，熱沉表面溫度升高。熱阻隨著微通道寬度的變化也呈現(xiàn)類似的趨勢(shì)。在微通道寬度為0.5mm時(shí)，熱阻為0.26K/W；寬度增加到1mm時(shí)，熱阻降至0.25K/W；寬度為1.5mm時(shí)，熱阻為0.245K/W；當(dāng)寬度增加到2mm時(shí)，熱阻增大到0.255K/W。這進(jìn)一步說(shuō)明了微通道寬度存在一個(gè)最優(yōu)值，能夠使熱沉的散熱性能達(dá)到最佳。壓力損失隨著微通道寬度的增加而減小。當(dāng)微通道寬度為0.5mm時(shí)，壓力損失為2500Pa；寬度增加到1mm時(shí)，壓力損失降至1800Pa，降低了約28%；寬度為1.5mm時(shí)，壓力損失為1300Pa，相比1mm時(shí)又降低了27.8%；當(dāng)寬度為2mm時(shí)，壓力損失為1000Pa。這是因?yàn)槲⑼ǖ缹挾仍黾樱黧w的流動(dòng)空間增大，流動(dòng)阻力減小，從而導(dǎo)致壓力損失降低。通過(guò)對(duì)不同工況下液冷熱沉的模擬分析可知，冷卻液流量、入口溫度和微通道寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱沉的散熱性能和壓力損失有著顯著的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件，在保證散熱性能的前提下，盡量降低壓力損失，以實(shí)現(xiàn)液冷熱沉性能的最優(yōu)化。4.3模擬結(jié)果驗(yàn)證為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中，使用3D打印技術(shù)制造了與數(shù)值模型相同結(jié)構(gòu)的液冷熱沉，采用選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝，使用鋁合金粉末作為打印材料，制造出具有復(fù)雜微通道結(jié)構(gòu)的液冷熱沉，其尺寸精度和表面質(zhì)量滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建如下：采用高精度的恒溫水浴裝置來(lái)控制冷卻液的入口溫度，確保溫度波動(dòng)在±0.1K范圍內(nèi)；使用高精度的質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量冷卻液的流量，精度可達(dá)±0.01L/min；利用紅外熱成像儀測(cè)量熱沉表面的溫度分布，其測(cè)量精度為±1K，能夠清晰地捕捉熱沉表面的溫度變化。在熱沉的進(jìn)出口位置安裝高精度的壓差傳感器，用于測(cè)量壓力損失，精度為±10Pa，以準(zhǔn)確獲取壓力變化數(shù)據(jù)。在冷卻液流量為0.5L/min，入口溫度為298K的工況下，將模擬得到的熱沉表面平均溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。模擬結(jié)果顯示熱沉表面平均溫度為323K，而實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為325K，兩者之間的相對(duì)誤差為0.62%。這一較小的誤差表明，數(shù)值模擬在預(yù)測(cè)熱沉表面平均溫度方面具有較高的準(zhǔn)確性，能夠較為可靠地反映實(shí)際情況。對(duì)于熱阻的對(duì)比，模擬計(jì)算得到的熱阻為0.25K/W，實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的熱阻為0.26K/W，相對(duì)誤差為3.85%。雖然存在一定的誤差，但考慮到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能存在的各種因素，如測(cè)量誤差、制造工藝的微小差異等，這一誤差在可接受范圍內(nèi)。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在熱阻方面的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)值模型在評(píng)估熱沉散熱性能方面的可靠性。在壓力損失方面，模擬結(jié)果為1800Pa，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為1850Pa，相對(duì)誤差為2.7%。壓力損失的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為接近，說(shuō)明數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測(cè)液冷熱沉內(nèi)部的流體流動(dòng)阻力，為熱沉的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。通過(guò)對(duì)熱沉表面平均溫度、熱阻和壓力損失等關(guān)鍵性能指標(biāo)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以得出結(jié)論：所建立的數(shù)值模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠有效地模擬基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉的內(nèi)部流動(dòng)和傳熱過(guò)程，為進(jìn)一步研究液冷熱沉的性能優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了有力的工具。在后續(xù)的研究中，可以基于該數(shù)值模型，更加深入地探討不同參數(shù)對(duì)液冷熱沉性能的影響，開(kāi)展更廣泛的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，以滿足高功率密度設(shè)備不斷增長(zhǎng)的散熱需求。五、基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉實(shí)驗(yàn)研究5.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備在本次實(shí)驗(yàn)中，選用鋁合金粉末作為3D打印液冷熱沉的原材料。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度較高、導(dǎo)熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足液冷熱沉對(duì)材料輕量化和高導(dǎo)熱性的要求。其密度約為2.7g/cm^3，導(dǎo)熱系數(shù)在150-230W/(m\cdotK)之間，與銅、銀等金屬相比，雖然導(dǎo)熱系數(shù)略低，但在密度和成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在保證良好散熱性能的同時(shí)，可有效減輕熱沉的重量，降低生產(chǎn)成本。3D打印設(shè)備采用德國(guó)EOS公司的M290金屬3D打印機(jī)。該打印機(jī)基于選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)，具有較高的打印精度和穩(wěn)定性。其激光功率為400W，光斑直徑最小可達(dá)100μm，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋁合金粉末的精確燒結(jié)，確保液冷熱沉內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成型精度。在打印過(guò)程中，該設(shè)備能夠制造出復(fù)雜的內(nèi)部流道和微通道結(jié)構(gòu)，滿足液冷熱沉的設(shè)計(jì)需求。例如，對(duì)于寬度為1mm的微通道，M290打印機(jī)能夠保證其尺寸精度控制在\pm0.05mm以內(nèi)，表面粗糙度可達(dá)Ra6.3-Ra12.5μm，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究提供了高質(zhì)量的熱沉樣本。為了全面、準(zhǔn)確地測(cè)試液冷熱沉的性能，使用了一系列先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備。采用美國(guó)FLIR公司的A325sc紅外熱成像儀測(cè)量熱沉表面的溫度分布。該儀器的溫度分辨率可達(dá)0.05℃，能夠快速、直觀地獲取熱沉表面的溫度場(chǎng)信息，測(cè)量精度高，能夠清晰地分辨出熱沉表面不同區(qū)域的溫度差異，為研究熱沉的散熱均勻性提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。利用美國(guó)Omega公司的PX309系列壓差傳感器測(cè)量熱沉進(jìn)出口的壓力損失。該系列傳感器的精度為\pm0.25\%FS，能夠精確測(cè)量微小的壓力變化，滿足實(shí)驗(yàn)中對(duì)壓力損失測(cè)量的高精度要求。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，能夠準(zhǔn)確測(cè)量液冷熱沉在不同工況下的壓力損失，為分析熱沉內(nèi)部的流體流動(dòng)特性提供數(shù)據(jù)依據(jù)。選用德國(guó)E+H公司的Promag50W電磁流量計(jì)測(cè)量冷卻液的流量。該流量計(jì)的測(cè)量精度可達(dá)\pm0.5\%，具有響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)冷卻液的流量變化，確保實(shí)驗(yàn)過(guò)程中冷卻液流量的穩(wěn)定和準(zhǔn)確測(cè)量。還使用了高精度的恒溫水浴裝置來(lái)精確控制冷卻液的入口溫度，其控溫精度可達(dá)\pm0.1℃，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的冷卻液溫度條件，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)這些先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備，為深入研究基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉的性能提供了有力的保障。5.2液冷熱沉的3D打印制備工藝基于3D打印技術(shù)制造液冷熱沉，其工藝流程涵蓋多個(gè)關(guān)鍵步驟，每一步都對(duì)熱沉的最終性能有著重要影響。以選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝制備鋁合金液冷熱沉為例，首先需依據(jù)液冷熱沉的設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、Pro/E等）構(gòu)建精確的三維模型。在建模過(guò)程中，充分考慮熱沉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如微通道的形狀、尺寸、布局，以及散熱翅片的形狀和分布等，確保模型能夠滿足散熱性能和結(jié)構(gòu)緊湊性的要求。例如，對(duì)于微通道的設(shè)計(jì)，根據(jù)傳熱學(xué)原理和CFD模擬結(jié)果，確定微通道的最佳形狀和尺寸，以提高冷卻液的流速和換熱效率；對(duì)于散熱翅片，設(shè)計(jì)成異形結(jié)構(gòu)，增加散熱面積，提升散熱效果。完成三維模型構(gòu)建后，使用切片軟件（如Cura、Simplify3D等）對(duì)模型進(jìn)行切片處理。在切片過(guò)程中，設(shè)置合適的參數(shù)至關(guān)重要。層厚作為一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，會(huì)直接影響打印精度和表面質(zhì)量。較小的層厚可以使打印物體的表面更加光滑，精度更高，但同時(shí)也會(huì)增加打印時(shí)間；較大的層厚則會(huì)提高打印速度，但可能導(dǎo)致表面粗糙度增加，精度降低。在液冷熱沉的打印中，通常根據(jù)熱沉的具體要求和打印機(jī)的性能，選擇合適的層厚，一般在0.05-0.2mm之間。填充密度也是一個(gè)重要參數(shù)，它決定了打印物體內(nèi)部的材料分布情況。較高的填充密度可以提高物體的強(qiáng)度，但會(huì)消耗更多的材料，增加成本；較低的填充密度則可以減輕物體的重量，降低成本，但可能會(huì)影響物體的強(qiáng)度。對(duì)于液冷熱沉，需要在保證熱沉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和散熱性能的前提下，合理選擇填充密度，一般在30%-70%之間。打印速度也會(huì)對(duì)打印質(zhì)量產(chǎn)生影響，過(guò)快的打印速度可能導(dǎo)致材料堆積不均勻，影響熱沉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能；過(guò)慢的打印速度則會(huì)降低生產(chǎn)效率。因此，需要根據(jù)材料的特性和打印機(jī)的性能，選擇合適的打印速度，一般在50-150mm/s之間。切片完成后，將切片數(shù)據(jù)傳輸至3D打印機(jī)，開(kāi)始打印過(guò)程。在打印過(guò)程中，打印機(jī)根據(jù)切片數(shù)據(jù)，通過(guò)激光燒結(jié)鋁合金粉末，逐層堆積形成液冷熱沉。在這個(gè)過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制打印環(huán)境，確保環(huán)境溫度、濕度等條件穩(wěn)定。溫度過(guò)高或過(guò)低都可能影響粉末的燒結(jié)效果，導(dǎo)致熱沉內(nèi)部出現(xiàn)缺陷；濕度過(guò)大則可能使粉末受潮，影響打印質(zhì)量。例如，在使用SLS工藝打印鋁合金液冷熱沉?xí)r，通常將打印環(huán)境溫度控制在一定范圍內(nèi)，如60-80℃，以保證粉末能夠均勻燒結(jié)。打印完成后，還需對(duì)液冷熱沉進(jìn)行后處理。后處理包括去除支撐結(jié)構(gòu)、清洗、打磨、熱處理等步驟。支撐結(jié)構(gòu)是在打印過(guò)程中為了支撐懸空部分而添加的，打印完成后需要小心去除，避免對(duì)熱沉的結(jié)構(gòu)造成損傷。清洗主要是去除熱沉表面殘留的粉末和雜質(zhì)，可采用超聲波清洗等方法，確保熱沉表面干凈，不影響后續(xù)的性能測(cè)試和應(yīng)用。打磨則是為了進(jìn)一步提高熱沉表面的光潔度，減少表面粗糙度，降低熱阻，提高散熱性能。熱處理是后處理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)熱沉進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚ㄈ缤嘶?、固溶處理、時(shí)效處理等），可以消除打印過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，改善材料的組織結(jié)構(gòu)和性能，提高熱沉的強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性。例如，對(duì)于鋁合金液冷熱沉，經(jīng)過(guò)固溶處理和時(shí)效處理后，其硬度和強(qiáng)度可以提高20%-30%。在3D打印液冷熱沉的制備過(guò)程中，質(zhì)量控制至關(guān)重要。原材料的質(zhì)量直接影響熱沉的性能，因此需要對(duì)鋁合金粉末進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。檢測(cè)項(xiàng)目包括粉末的粒度分布、化學(xué)成分、松裝密度、流動(dòng)性等。粒度分布會(huì)影響粉末的燒結(jié)效果，若粉末粒度不均勻，可能導(dǎo)致燒結(jié)過(guò)程中出現(xiàn)局部燒結(jié)不完全或過(guò)燒的情況；化學(xué)成分的準(zhǔn)確性則關(guān)系到熱沉的材料性能，如鋁合金粉末中各元素的含量必須符合標(biāo)準(zhǔn)，否則會(huì)影響熱沉的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能；松裝密度和流動(dòng)性會(huì)影響粉末在打印過(guò)程中的堆積情況，進(jìn)而影響熱沉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能。只有確保粉末的各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，才能保證熱沉的質(zhì)量。打印過(guò)程中的質(zhì)量監(jiān)控也不可或缺。利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)，如激光功率、掃描速度、溫度等。激光功率的波動(dòng)會(huì)影響粉末的燒結(jié)效果，若激光功率不穩(wěn)定，可能導(dǎo)致熱沉內(nèi)部出現(xiàn)孔洞、裂紋等缺陷；掃描速度的變化則會(huì)影響熱沉的成型精度和表面質(zhì)量，過(guò)快或過(guò)慢的掃描速度都可能導(dǎo)致熱沉的尺寸偏差或表面粗糙度增加；溫度的變化會(huì)影響粉末的流動(dòng)性和燒結(jié)性能，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)打印過(guò)程中的溫度，并根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，保證打印過(guò)程的穩(wěn)定性和熱沉的質(zhì)量。對(duì)打印完成的液冷熱沉進(jìn)行全面的質(zhì)量檢測(cè)也是質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。采用多種檢測(cè)手段，如光學(xué)顯微鏡觀察熱沉的表面質(zhì)量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，檢測(cè)是否存在裂紋、孔洞等缺陷；使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量熱沉的尺寸精度，確保熱沉的尺寸符合設(shè)計(jì)要求，尺寸偏差控制在允許范圍內(nèi)；進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，如拉伸試驗(yàn)、硬度測(cè)試等，評(píng)估熱沉的力學(xué)性能，確保其能夠滿足實(shí)際應(yīng)用中的強(qiáng)度和硬度要求；還會(huì)進(jìn)行密封性測(cè)試，確保熱沉在工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)冷卻液泄漏的情況，影響散熱效果。只有通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，確保熱沉的各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求，才能將其應(yīng)用于實(shí)際的散熱系統(tǒng)中。5.3實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)3D打印的液冷熱沉進(jìn)行了全面的熱阻和壓降測(cè)試，以深入評(píng)估其散熱性能和流體力學(xué)特性。熱阻測(cè)試是評(píng)估液冷熱沉散熱性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。熱阻的定義為熱量傳遞路徑上的阻力，它反映了熱沉將熱量從發(fā)熱源傳遞到冷卻液的能力。在實(shí)驗(yàn)中，熱阻的計(jì)算公式為：R=\frac{T_{s}-T_{f}}{Q}其中，R表示熱阻（K/W），T_{s}為熱沉表面平均溫度（K），通過(guò)紅外熱成像儀精確測(cè)量得到，紅外熱成像儀能夠快速、直觀地獲取熱沉表面的溫度分布，從而計(jì)算出平均溫度；T_{f}為冷卻液平均溫度（K），在冷卻液入口和出口處分別測(cè)量溫度，然后取平均值得到；Q為熱負(fù)荷（W），根據(jù)發(fā)熱源的功率確定，在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)精確控制發(fā)熱源的功率，為熱阻計(jì)算提供準(zhǔn)確的熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。在不同冷卻液流量下進(jìn)行熱阻測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著冷卻液流量的增加，熱阻呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)冷卻液流量從0.3L/min增加到0.5L/min時(shí)，熱阻從0.35K/W降低至0.28K/W，降低了約20%；繼續(xù)將流量增加到0.7L/min，熱阻進(jìn)一步降至0.23K/W，又降低了17.9%。這是因?yàn)槔鋮s液流量的增加，使得單位時(shí)間內(nèi)帶走的熱量增多，對(duì)流換熱增強(qiáng)，從而有效降低了熱阻，提高了散熱效率。壓降測(cè)試則是研究液冷熱沉內(nèi)部流體流動(dòng)特性的重要手段。壓降是指冷卻液在熱沉內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程中，由于與流道壁面的摩擦、流道形狀變化等因素導(dǎo)致的壓力損失。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)高精度的壓差傳感器測(cè)量熱沉進(jìn)出口的壓力差，從而得到壓降數(shù)據(jù)。隨著冷卻液流量的增加，壓降呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)。當(dāng)流量從0.3L/min增加到0.5L/min時(shí)，壓降從1200Pa上升至2000Pa，增加了約66.7%；流量進(jìn)一步增加到0.7L/min時(shí)，壓降達(dá)到3000Pa，相比0.5L/min時(shí)又增加了50%。這是因?yàn)榱髁吭龃?，流體與流道壁面的摩擦加劇，同時(shí)在流道的彎道和狹窄部位，能量損失也相應(yīng)增加，導(dǎo)致壓降增大。將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者在趨勢(shì)上基本一致。在熱阻方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的熱阻與模擬計(jì)算得到的熱阻在不同流量下的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)。例如，在冷卻液流量為0.5L/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)熱阻為0.28K/W，模擬熱阻為0.25K/W，相對(duì)誤差為10.7%。這表明數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱沉的散熱性能，為熱沉的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。在壓降方面，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的相對(duì)誤差也在可接受范圍內(nèi)。當(dāng)冷卻液流量為0.7L/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)壓降為3000Pa，模擬壓降為2800Pa，相對(duì)誤差為6.7%。這種誤差的存在主要是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在一些難以精確控制的因素，如熱沉內(nèi)部流道的表面粗糙度、冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)等，這些因素在數(shù)值模擬中難以完全準(zhǔn)確地模擬。然而，盡管存在一定誤差，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性仍然表明，數(shù)值模擬方法在研究液冷熱沉的流體力學(xué)特性方面具有較高的可靠性和有效性。通過(guò)對(duì)3D打印液冷熱沉的熱阻和壓降測(cè)試以及與模擬結(jié)果的對(duì)比分析，可以得出結(jié)論：3D打印的液冷熱沉在散熱性能和流體力學(xué)特性方面表現(xiàn)出與理論預(yù)期相符的性能，數(shù)值模擬方法能夠有效地預(yù)測(cè)熱沉的性能，為基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用提供了有力的支持。六、結(jié)果與討論6.1理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析將基于3D打印技術(shù)的高效液冷熱沉的理論模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，有助于深入理解熱沉的性能表現(xiàn)，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性，并分析兩者之間可能存在的差異原因。在熱沉表面平均溫度方面，理論模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果在趨勢(shì)上基本一致。隨著冷卻液流量的增加，熱沉表面平均溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在冷卻液流量為0.3L/min時(shí)，理論模擬得到的熱沉表面平均溫度為328K，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為330K，兩者相差2K，相對(duì)誤差為0.61%。當(dāng)冷卻液流量增加到0.5L/min時(shí)，理論模擬溫度為323K，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為325K，相差2K，相對(duì)誤差為0.62%。在冷卻液流量為0.7L/min時(shí)，理論模擬溫度為319K，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值為321K，相差2K，相對(duì)誤差為0.62%。這些數(shù)據(jù)表明，在不同冷卻液流量工況下，理論模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試在熱沉表面平均溫度上的誤差較小，相對(duì)誤差均在1%以內(nèi)，說(shuō)明理論模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱沉表面平均溫度隨冷卻液流量的變化趨勢(shì)。熱阻是衡量熱沉散熱性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。理論模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的熱阻隨冷卻液流量的變化趨勢(shì)也基本相同，均隨著冷卻液流量的增加而降低。在冷卻液流量為0.3L/min時(shí)，理論模擬熱阻為0.3K/W，實(shí)驗(yàn)測(cè)試熱阻為0.35K/W，兩者相差0.05K/W，相對(duì)誤差為14.29%。當(dāng)冷卻液流量增加到0.5L/min時(shí)，理論模擬熱阻為0.25K/W，實(shí)驗(yàn)測(cè)試熱阻為0.28K/W，相差0.03K/W，相對(duì)誤差為10.71%。在冷卻液流量為0.7L/min時(shí)，理論模擬熱阻為0.22K/W，實(shí)驗(yàn)測(cè)試熱阻為0.23K/W，相差0.01K/W，相對(duì)誤差為4.35%?？梢钥闯?，隨著冷卻液流量的增加，熱阻的理論模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值之間的相對(duì)誤差逐漸減小，在冷卻液流量為0.7L/min時(shí)，相對(duì)誤差已降至5%以內(nèi)。這表明在低流量工況下，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在一些難以精確控制的因素，如冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)、熱沉內(nèi)部流道的表面粗糙度等，導(dǎo)致理論模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果存在一定偏差；而在高流量工況下，這些因素的影響相對(duì)減小，理論模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性更高。壓力損失的理論模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果同樣呈現(xiàn)出相似的變化趨勢(shì)，隨著冷卻液流量的增加，壓力損失均增大。在冷卻液流量為0.3L/min時(shí)，理論模擬壓力損失為1000Pa，實(shí)驗(yàn)測(cè)試壓力損失為1200Pa，兩者相差200Pa，相對(duì)誤差為16.67%。當(dāng)冷卻液流量增加到0.5L/min時(shí)，理論模擬壓力損失為1800Pa，實(shí)驗(yàn)測(cè)試壓力損失為2000Pa，相差200Pa，相對(duì)誤差為10%。在冷卻液流量為0.7L/min時(shí)，理論模擬壓力損失為2800Pa，實(shí)驗(yàn)測(cè)試壓力損失為3000Pa，相差200Pa，相對(duì)誤差為6.67%。與熱阻的情況類似，隨著冷卻液流量的增加，壓力損失的理論模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試值之間的相對(duì)誤差逐漸減小。這是因?yàn)樵诘土髁抗r下，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一些不確定因素對(duì)壓力損失的影響更為顯著，如流道內(nèi)可能存在的微小雜質(zhì)、測(cè)量?jī)x器的精度等；而在高流量工況下，這些因素的影響相對(duì)減弱，理論模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壓力損失。理論模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果之間存在差異的原因是多方面的。從實(shí)驗(yàn)誤差的角度來(lái)看，測(cè)量?jī)x器的精度限制是一個(gè)重要因素。例如，紅外熱成像儀雖然能夠快速測(cè)量熱沉表面溫度，但在測(cè)量精度上存在一定的局限性，其測(cè)量誤差可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)試的熱沉表面平均溫度與實(shí)際值存在偏差；壓差傳感器在測(cè)量壓力損失時(shí)，也會(huì)受到自身精度的影響，可能產(chǎn)生一定的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不穩(wěn)定性也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境溫度、濕度等因素可能會(huì)發(fā)生微小的變化，這些變化雖然看似微小，但在高精度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，可能會(huì)對(duì)熱沉的散熱性能產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果出現(xiàn)差異。制造工藝的差異也是導(dǎo)致理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致的重要原因。盡管3D打印技術(shù)能夠制造出高精度的液冷熱沉，但在實(shí)際制造過(guò)程中，仍然可能存在一些與理論模型不完全一致的地方。例如，熱沉內(nèi)部流道的表面粗糙度在3D打印過(guò)程中難以完全控制，表面粗糙度的存在會(huì)增加流體與流道壁面的摩擦，從而導(dǎo)致壓力損失增大，這與理論模擬中光滑流道的假設(shè)存在差異；3D打印過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一些微小的缺陷，如內(nèi)部孔隙、裂紋等，這些缺陷會(huì)影響熱沉的傳熱性能，使得實(shí)驗(yàn)測(cè)試的熱阻與理論模擬值有所不同。理論模型的簡(jiǎn)化假設(shè)也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。在建立理論模型時(shí)，為了便于計(jì)算和分析，通常會(huì)對(duì)一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)化假設(shè)。例如，在理論模型中，可能會(huì)假設(shè)冷卻液為理想流體，忽略其粘性和壓縮性的影響；假設(shè)熱沉材料為均勻連續(xù)介質(zhì)，忽略材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)差異。然而，在實(shí)際情況中，冷卻液并非理想流體，其粘性和壓縮性會(huì)對(duì)流動(dòng)和傳熱過(guò)程產(chǎn)生影響；熱沉材料的微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)性能產(chǎn)生一定的作用。這些簡(jiǎn)化假設(shè)使得理論模型與實(shí)際情況存在一定的偏差，從而導(dǎo)致理論模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果不一致。6.2影響液冷熱沉性能的因素探討液冷熱沉的性能受到多種因素的綜合影響，深入探究這些因素對(duì)于優(yōu)化熱沉設(shè)計(jì)、提高散熱性能具有重要意義。結(jié)構(gòu)因素是影響液冷熱沉性能的關(guān)鍵因素之一。微通道的形狀對(duì)熱沉性能有著顯著影響。常見(jiàn)的微通道形狀包括圓形、矩形、梯形等。圓形微通道的流體力學(xué)性能較為穩(wěn)定，在相同截面積下，其周長(zhǎng)相對(duì)較小，能夠減少流體與壁面的摩擦阻力，從而降低壓力損失。矩形微通道則在加工工藝上相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，且在一定程度上能夠通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)寬比來(lái)優(yōu)化傳熱性能。例如，當(dāng)矩形微通道的寬高比較大時(shí)，流體在通道內(nèi)的流速分布更加均勻，能夠提高對(duì)流換熱效率。梯形微通道則具有獨(dú)特的幾何形狀，其傾斜的壁面可以促進(jìn)流體的擾動(dòng)，增強(qiáng)對(duì)流換熱效果，但同時(shí)也可能會(huì)增加壓力損失。微通道的尺寸也是影響熱沉性能的重要參數(shù)。較小的微通道尺寸能夠增加流體與壁面的接觸面積，從而提高傳熱系數(shù)，增強(qiáng)散熱效果。清華大學(xué)呂志剛教授團(tuán)隊(duì)在研究液冷陶瓷熱沉?xí)r發(fā)現(xiàn)，減小微通道寬度，能夠有效提高熱沉的散熱效率。但微通道尺寸過(guò)小也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如增加流體的流動(dòng)