用于设计高效热管理表面的高保真模型

在过去的十年中，从小型智能手机到电动汽车和飞机的电子设备和电池屡屡成为头条新闻。计算能力的增强导致电子设备产生大量废热和不良温升。

不良的热管理是超过一半的电子设备故障的原因。为了解决这个问题，开发先进的冷却技术来有效管理热量并维持工作条件下的温度至关重要。

在各种冷却技术中，利用液体沸腾或蒸发的液-汽相变冷却由于其优越的散热能力而受到关注。例如，浸没式冷却方法，类似于沸水，将大功率电子元件浸入液池中进行冷却。

然而研究人员发现，单纯依靠沸腾气泡或蒸发已经无法满足电子设备的散热需求。几年前，杨荣贵教授团队提出了一种同时采用蒸发和核沸腾的新策略，称为毛细管驱动液膜沸腾。

该冷却技术通过仔细设计芯吸结构表面，在蒸发薄膜中产生沸腾气泡。这种芯吸表面的厚度往往控制在1毫米以下。液膜沸腾的新策略利用了一个世纪以来已经深入研究的沸腾和蒸发的优点，实现了高散热性能，超越了传统相变传热的散热极限。

高传热性能依赖于精致的表面设计。随着微纳技术的最新发展，研究人员正在对许多微纳结构表面进行研究以增强传热。

然而，当前液膜沸腾的表面设计通常基于经验，缺乏理论指导。这是由于复杂的液-汽相变过程，涉及气泡和液膜的复杂动力学以及由此产生的传热。不同表面的纹理结构进一步增加了复杂性，使得散热能力的预测成为长期挑战，从而阻碍了最佳表面的开发。

为了应对这一挑战，中国武汉华中科技大学杨教授领导的研究小组开发了一种高保真模型来预测各种纹理表面上的液膜沸腾传热。研究结果发表在《国家科学评论》杂志上。

该模型不仅能够预测散热，还能够预测表面温度，可以预测通过不同相变模式(蒸发或沸腾)散发的热量。各种纹理表面的模型预测与实验数据非常吻合。

新模型预计将指导新热管理表面的设计。这对于设计下一代电子产品的高性能冷却策略非常重要。

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