来源 | International Journal of Heat and Fluid Flow

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2025.110054

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背景介绍

随着人工智能、云计算等技术的爆发，高功率集成电路正朝着 “更小体积、更大算力” 的方向飞速迭代 —— 如今普通芯片功率早已突破300W，特别芯片更是直逼700W 甚至更高。但算力飙升的背后，是芯片 “散热危机” 的步步紧逼：过高的温度不仅会导致芯片性能骤降、频繁卡顿，更会大幅缩短其使用寿命，甚至引发直接烧毁的风险。

传统的风冷技术，早已难以应对这种 “高热密度” 挑战。无论是加大风扇转速，还是增加散热鳍片，都无法在有限空间内快速带走巨量热量，反而可能带来噪音、体积过大等新问题。在这样的背景下，液体冷却凭借更高的换热系数，成为高功率芯片散热领域的 “新主角”，而如何进一步优化液冷系统的效率与稳定性，也成了行业研究的核心方向。

微通道散热与射流冲击技术，是当前液冷领域的两大关键技术。前者通过细小的通道让冷却液与芯片近距离接触，实现高效热交换；后者则利用高速流体直接冲击发热表面，强化局部散热效果。但两者单独使用时，都存在明显短板：传统微通道因通道窄长易产生高压降，且冷却液分布不均导致温度均匀性差；射流冲击则受限于单股射流覆盖范围，阵列射流又会因相邻射流干扰，同样难以实现均匀散热。

为了突破这些瓶颈，研究人员将目光投向了大自然 —— 经过数十亿年进化，植物叶脉的分形网络结构既能高效输送养分，又能最小化能量损耗。此前基于荷叶叶脉设计的 “叶脉微通道 - 射流耦合系统（LJ-MCHS）”，虽已展现出低阻力、均匀布液的优势，但在实际应用中，仍存在孔隙率低、有效散热面积不足的问题，难以完全释放高功率芯片的冷却潜力。

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成果掠影

近日，针对这些行业痛点与技术局限中科院广州能源研究所董凯军、张博博团队携手香港城市大学吴伟教授团队提出一项全新的优化方案应运而生：在荷叶叶脉微通道的基础上，引入 “导流通道”，打造出 “带导流通道的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）”。这项设计不仅保留了仿生结构的天然优势，更通过导流通道的优化，进一步提升散热效率与温度均匀性。研究团队以矿物油为冷却液，针对 800W 加热功率的电子芯片展开数值模拟研究，系统分析导流通道形状、间距及微通道高度对散热性能的影响。

在导流通道形状优化上，圆形导流通道表现最优 —— 相较于基础仿生结构，它能在压降变化最小的前提下，使 800W 芯片的最高温度降低 8.47%、热阻下降 14.24%、温差减少 20.50%； octagonal（八边形）与 quadrilateral（四边形）导流通道虽也能提升散热性能，但效果弱于圆形。且三种形状的导流通道对系统压降的影响均可忽略不计，不会增加额外能耗负担。

导流通道间距与宽度的比值（α）对散热效果的调节作用显著：当 α≤2.0 时，芯片平均温度随 α 减小变化缓慢，继续缩小间距对冷却性能提升有限；当 α>2.0 时，间距增大导致导流通道数量减少，有效散热面积骤降，芯片温度快速上升。综合散热效率与加工可行性，α=2.0 被确定为最优间距参数。

微通道高度的优化则呈现 “阈值效应”：在高度小于 20mm 时，增加高度可明显降低系统压降与芯片温度；一旦高度超过 20mm，散热性能提升幅度急剧收窄 —— 最高温度降幅不足 0.05℃，平均温度降幅小于 0.10℃，且过高高度会增加制造成本与结构风险，因此 20mm 为微通道最优高度。

将圆形导流通道、α=2.0、20mm 微通道高度的参数组合应用于 DLJ-MCHS，在 35℃矿物油冷却条件下，800W 芯片的最高温度可稳定控制在 80℃以内（3.73L/min 流量时最高温 79.82℃，5.43L/min 流量时最高温 75.36℃），完全满足高功率芯片的散热需求。该研究为高功率芯片热设计提供了全新思路与优化方案，对数据中心浸没式冷却等绝缘关键场景具有重要理论意义与实际应用价值。研究成果以“Performance study of a biomimetic leaf vein microchannel coupled jet impingement system for high-power chip thermal management”为题发表在《International Journal of Heat and Fluid Flow》

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图文导读

图1. (a) 荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（LJ-MCHS）的轴侧视图；(b) 荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（LJ-MCHS）的俯视图；(c) 荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（LJ-MCHS）的侧视图

图 2. 计算域示意图

图 3. 模拟所用的网格结构

图4. 网格独立性验证结果，包含平均芯片温度、最高芯片温度；右图纵坐标为压降；两图横坐标均为网格数量

图 5. 实验系统示意图

图6. 平均芯片温度的实验验证结果（纵坐标为平均芯片温度（单位：℃），横坐标为流量（单位：L/min）；曲线包含 “模拟结果（Simulation results）”“实验数据

图 7. (a) 基础荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统；(b) 四边形导流通道叶脉微通道 - 射流耦合散热系统；(c) 八边形导流通道叶脉微通道 - 射流耦合散热系统；(d) 圆形导流通道叶脉微通道 - 射流耦合散热系统”“导流通道

图 8. 不同冷却结构的压降对比，横坐标为流量；曲线包含 “四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）”“八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）”“圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）”“基础系统

图9. 不同冷却结构的速度分布云图（a）基础荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（Basic LJ-MCHS）；(b) 四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）；(c) 八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）；(d) 圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）

图10. 不同冷却结构的速度分布云图（a）基础荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（Basic LJ-MCHS）；(b) 四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）；(c) 八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）；(d) 圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）

图11. 不同冷却结构的速度分布云图（a）基础荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（Basic LJ-MCHS）；(b) 四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）；(c) 八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）；(d) 圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）

图12. 不同流量与冷却结构下的芯片平均温度及最高温度；曲线包含 “四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）”“八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）”“圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）”“基础系统（Basic LJ-MCHS）”，每种结构对应平均温度与最高温度两条子曲线）

图13. 不同冷却结构作用下的芯片温差（纵坐标为温差（单位：℃），横坐标为流量；曲线包含 “四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）”“八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）”“圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）”“基础系统

图14. 不同冷却结构在特征平面（z=2mm）的速度分布矢量图（a）基础荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（Basic LJ-MCHS）；(b) 四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）；(c) 八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）；(d) 圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）

图15. 不同叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）作用下芯片上表面（即与散热器接触面）的温度分布云图（a）基础荷叶叶脉微通道 - 射流耦合散热系统；(b) 四边形导流通道系统（QDLJ-MCHS）；(c) 八边形导流通道系统（ODLJ-MCHS）；(d) 圆形导流通道系统（CDLJ-MCHS）

图16. 相关结构参数设计图

图17. 不同导流通道间距的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）的压降（纵坐标为压降（单位：Pa），横坐标为导流通道间距与宽度比值（α），范围 0.5-5.0）

图18. 不同导流通道间距的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）的流道压力分布云图（包含 α=1.0、α=1.5、α=3.5、α=4.0 四种工况；右侧色标为总压力（单位：Pa），范围 0-2000）

图19. 不同导流通道间距的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）作用下的芯片参数（a）芯片最高温度与平均温度（纵坐标为温度（单位：℃），横坐标为 α 值，范围 1.0-5.0）；（b）芯片温差（纵坐标为温差（单位：℃），横坐标为 α 值，范围 1.0-5.0）

图20. 不同导流通道间距的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）作用下芯片上表面的温度分布云图

图21. 不同微通道高度的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）在不同流量下的压降分布

图22. 不同冷却液流量下，不同微通道高度的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）作用下的芯片最高温度与平均温度

图23. 不同微通道高度的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）作用下芯片上表面的温度分布云图

图24. 不同微通道高度的叶脉微通道 - 射流耦合散热系统（DLJ-MCHS）翅片的温度分布云图