1 引言

电子设备的高集成度和高功率密度给芯片散热带来了巨大挑战[1]，传统散热方式已无法满足高热流密度芯片的散热要求.自Tucherman[2]等开创性地研究微通道散热技术以来，微通道散热技术成为提高芯片散热能力的一个主要研究方向.随着微细加工技术的成熟和进步，使微通道散热技术的工程应用成为可能[3].

微通道截面积小，通道易阻塞，因此微通道多设计成多条通道的并联，目前多采用多条直通道平行的平直微通道散热结构.为探索综合散热性能更优的微通道散热器，陈运生[4]等分析了分形微管道网络内部微流体的换热与压降特性，Chen[5]等分析了一种呈T形树状分形流体网络结构的散热特性，周建辉[6]等提出了太阳花散热器参数化设计和流场分析程序.研究发现，多条并联通道的布局(即拓扑结构)对散热能力和流动特性具有较大影响，因此研究微通道的拓扑结构对提高芯片散热能力、降低压降具有明显的工程意义.

本文借鉴自然界众多具有优良传质传热特性的网络拓扑，设计了多种仿生微通道拓扑结构.利用数值模拟分析了各种拓扑结构的散热效果，并对蜘蛛网拓扑结构的散热特性进行了理论分析和测试，结果表明其散热性能相对现有平直微通道有明显提高.

2 微通道仿生拓扑结构设计

2.1 仿叶脉微通道拓扑结构

植物需要用最快的速度、在最少的能量消耗下通过叶脉分形网络将养分运输到叶脉的各个部位，植物叶脉分形网络具有优良的流动性能.图1(a)显示了典型网状植物叶脉，通过去掉叶脉中的细脉，可抽象出具有植物叶脉特征的物理模型(图1(b)).

随着分形结构上下级水力直径、分形角度的改变，植物叶脉的网络结构会发生相应变化，也会影响其传热传质性能.为适应芯片形状，将微管分形夹角假定为90°，不直接采用叶脉分形特征[7]；另一方面，为汇聚流体工质并将热量从出口带走，将两枚叶片镜像对置，既能适应芯片形状，还可避免增大冷板体积；此外，为进一步强化芯片的散热能力，将更多的流量引入芯片正下方，特将仿叶脉状微通道拓扑的干道设置成变宽度阶梯状，取上下级水力直径比为0.8[7].最终构造的仿叶脉型微通道拓扑结构如图1(c)所示.

2.2 仿肺部气管微通道拓扑结构

众多生物系统进化出了与其本身特征尺寸相匹配的传输系统，以输送水分和溶解营养物质.以人的气管为例，该管网系统输运效率高、分布均匀、物质和能量交换效率高.据解剖学资料[8]，人体气管经多级分叉后与肺泡相连，整个支气管形状如一棵倒置的树，如图2(a)所示.

为得到该网络的分形参数，可借助Murray定律[9,10]表示为

(1)以中青年教师为主。独立学院由于建校时间不长，自有引进教师主要为应届毕业生，进校时年龄普遍集中在 30 岁以下，而且所占比例一般都超过了50%以上。

(1)

上式描述了第j级二分叉的父分支与子分支直径的关系，γ是分形尺度因子，对于大部分分形结构，γ≈3，进化程度越高的动物γ越接近3.取γ=3，分形级数k=6，结合其分形特点并映射到二维平面，令同一级子分支的直径相等，且为适应芯片形状，设定微通道夹角为90°，得到二维拓扑结构如图2(b)所示.此外，为避免分形结构出现分支交叉，对分形参数r进行以下限制：

(2)

Lk+1/Lk=γ1, (k=0，2，4)

(3)

Lk+1/Lk=γ2, (k=1，3，5)

(4)

式中，r为分形通道上下级长度比.为保证微通道均匀布置，取r1=0.5，r2=1.最终设计的仿肺部气管型微通道拓扑结构如图2(c)所示.该微通道具有两层，每层各有6个分支，最小分支微通道用与其高度和宽度相同的微通道上下连通，以保证流体在上下两层微通道内充分流动.

2.3 仿蜘蛛网微通道拓扑结构

蜘蛛网是由蜘蛛吐丝编成的网状物(图3(a))，用以捕获昆虫或结巢居住.尽管蜘蛛网并不是一种微管输运系统，但其结构特点在构造微通道拓扑结构时同样值得借鉴.蜘蛛网由众多正多边形层层嵌套而成，结构紧凑，比表面积大，各端点通过多边形对角线连接.为避免过多的进出口，此处只保留一组对角线，如图3(b)所示.

甲状旁腺正确辨认后其血供的保护是至关重要的。目前研究表明甲状腺全切术后暂时性甲状旁腺功能减退可能与甲状旁腺的血供障碍有关，因此推荐精细被膜解剖法。需要警惕的是，部分保留血供的甲状旁腺仍可因静脉回流障碍造成其淤血、坏死。对表面血管扩张、淤血明显者，需予以切除行I期自体移植。朱精强[10]强调对于A3型(完全位于甲状腺组织内)甲状旁腺及严重缺血、游离的甲状旁腺，自体移植是最后的弥补方法。

(1)在相同工况下，不同微通道拓扑结构的散热能力确实存在差异.除河流网络结构外，其他仿生微通道凭借各自独有的分形特点，较普通矩形平直微通道具有更优秀的散热能力；在不同芯片功耗下，不同微通道拓扑结构散热能力的相对强弱不发生变化，即散热能力不随芯片功率变化而改变.

2.4 其他仿生微通道拓扑结构

经过漫长的自然选择，许多生命和非生命系统已进化出各种最优、或接近最优的结构，如河流、蜂窝、昆虫翅脉等.基于实际工程应用需求，借鉴上述拓扑提取方式，采用分形几何方法捕捉其结构特征，设计另外3种微通道结构.图4(a)为仿河流网络微通道，图4(b)为仿蜂窝微通道，图4(c)为仿昆虫翅脉微通道.

3 仿生拓扑结构散热特性的数值分析

为分析比较各种仿生微通道结构的散热特性，特做以下设定：冷板材料、尺寸相同；通道尺寸一致，距离热源的距离相等，截面均为矩形；流体工质相同，热载荷相同.此外，为在有限的待散热区域内设计出高效的微通道冷板结构，令各微通道结构的覆盖面积基本相等.表1是在此约束下，各仿生结构的实际对流换热面积.

因此，蜘蛛网结构的总对流换热面积Az为:

3.1 计算模型

(4)仿生微通道拓扑结构相对复杂，分形和流道拐角较多，且由于进口端突缩段不可逆过程引起的进口压力损失，使得仿生微通道会牺牲少量的进出口压降.综合散热能力和压降两个因素，仿蜘蛛网型拓扑结构的综合散热性能最佳.

表1 各种微通道拓扑结构的实际换热面积

结构类型换热面积(mm2)矩形平直100河流网络50昆虫翅脉101叶脉型104蜂窝型85肺部气管138蜘蛛网110

3.2 数值计算结果

建立各种拓扑结构微通道散热器的热仿真模型，保持边界条件一致，令芯片功率分别为5W、10W、20W、40W，利用Icepak进行流固耦合计算.表2按芯片的温升高低顺序列出了各种拓扑结构的芯片最高温度及压降，图6和图7显示了2种微流道拓扑散热器的温度分布和冷却液压力分布.

表2 各种微通道拓扑结构的热仿真结果

拓扑结构芯片最高温度(℃)5W10W20W40W压降(kpa)河流网络29.438.857.795.4148.1矩形平直28.737.755.390.797.1昆虫翅脉28.336.753.486.7110.5叶脉28.136.452.785.596.2仿蜂窝27.936.252.484.990.8肺部气管27.836.152.284.4203.3蜘蛛网27.635.751.482.893.1

分析表2数值计算结果，不难发现：

为使芯片得到可靠冷却，多数情况均要求微通道网络能够“均匀密布”散热表面.几何学已发现[11]，能“均匀密布”任意形状平面的正多边形仅有正三角形、正四边形和正六边形；特别地，在密布相同面积的前提下，正六边形具有最小的网络周长，这一特点有利于降低流体网络系统的阻力，还可避免正四边形直角拐角形成局部流动死区而降低换热效率的缺点.故选用正六边形层层嵌套形成图3(c)所示的仿蜘蛛网微通道拓扑结构，同样将干道设置成变宽度阶梯状，取上下级水力直径比为0.8.

(2)随着芯片热流密度增加，不同拓扑结构的散热能力差异越来越大.例如芯片发热功率为5W时，散热能力最强的蜘蛛网结构相对普通矩形平直微通道的芯片最高温度下降仅1.1℃.但当芯片功率增至40W时，蜘蛛网结构相对普通矩形平直微通道降低达8℃.因此在对高热流密度(大于100W/cm2)芯片进行热设计时，合理设计流道拓扑结构是很有必要的.

(3)不同拓扑结构在散热方面有着不同的特点：受微通道拓扑结构各自分形特征的约束，在有限的待散热面积内，各仿生结构的实际对流换热面积存在差异；仿河流网络结构用于矩形热源冷却时受其Y型分形特征限制，实际流固接触面积过小，散热能力差，应适用于蝶状热沉设计(双层结构)；仿肺部气管结构散热能力较强，但流程过长，进出口压降较大，且两层结构对单侧热源冷却作用不大，反而导致冷板体积重量增加；蜘蛛网结构则综合了叶脉型结构紧凑、散热比表面积大以及蜂窝型流体流动性能好、压降低的优点，还可与蜂窝型流道嵌套使用，解决大面积散热区域的温度一致性问题，具有很好的工程应用价值.

利用8mm×8mm×1.5mm的铝合金冷板进行微通道拓扑结构设计，发热芯片采用2mm×2mm的面热源模拟，且为保证对芯片的充分冷却，保证流道覆盖区域面积为16mm2，完全覆盖整个芯片.冷却工质选用60%体积浓度的乙二醇溶液，冷却液入口流量40ml/min，入口温度20℃，环境温度20℃，出口为静压条件.忽略自然对流和辐射传热，通道壁面绝对光滑，考虑芯片与微通道冷板贴装时的接触热阻.图5显示了普通矩形平直微通道冷板的热仿真模型.

4 蜘蛛网微通道结构的换热特性分析

为进一步分析各仿生微通道拓扑结构在散热方面的优越性能，下文以综合散热性能最优秀的仿蜘蛛网型结构为代表，以普通矩形平直微通道结构为参照，对蜘蛛网型结构的优良散热性能进行了理论分析：

小学阶段的语文阅读教学与中学的语文教学不同，这个时期的学生语文知识功底不够扎实，如果教师无法循序渐进地教学，学生就会无法理解课堂内容，极大地降低课堂教学效率。且小学语文阅读教学一定要以引导为主，以培养学生良好的语文学习习惯为主。教学的目的不是让学生能学会某一篇文章，而是应该以一篇文章为范例来进行阅读方法的教学。当前我国的小学语文教育还不够成熟，想要取得更好的教学成绩和更有效的学习方法，还需要广大一线教师进一步努力探索。

1.3.2 CT模拟 制作热可塑性体膜，取仰卧位置，双臂抱头，网罩固定，扫描包含脊柱全长，层间距为5 mm，图像传至Somavision的计算机系统，重建三维图像及勾画靶区。

其中，Tsource为芯片最高温度，Tenvironment为环境温度.

Study of Effect of Rudder Angle for Effective Power Based on CFD……………XUE Zhenyu， CHEN Xiaping， REN Haikui(1·6)

Q=ΔT*h*A

(5)

可以看出，对流换热量正比于微通道结构暴露在运动流体下的表面积A、对流换热系数h以及传热温差ΔT.由于各微通道结构的热边界条件一致，故影响其换热性能的因素为对流换热系数h和对流换热面积A.下面对微通道结构散热性能进行单因素影响分析：

首先，分析蜘蛛网结构与普通矩形平直结构在相同流道覆盖面下的实际流固接触面积的差异.设流道底部覆盖面积均为Sb、槽宽均为Wc、槽深均为Hc、占空比均为0.5.

不考虑进出口管路，蜘蛛网结构近似由多层正六边形环形流道嵌套而成，如图8所示.

其对流换热面积为

1.2.3 术中配合 护理人员应当告知患者手术过程中为了避免结石定位不准确不要随意变换体位,以免造成不理想的手术结果。做好器械准备,确保手术过程中器械齐全。术中护理人员要密切观察患者病情和生命体征的变化,注意其表皮是否有损伤、神志是否清醒,询问患者有无头晕、心慌等不适症状,有无碘过敏反应,将抢救药物准备好[3]。

Az=A1+A2+A3+…+An

(6)

n=⎣

(7)

Ai=6(Wc+Hc)(a2i-1+a2i)，i=1,2,3…n

(8)

(9)

式中，n为正六边形环形流道嵌套层数，Ai为第i层正六边形环形流道的对流换热面积.

随着剖宫产的普及,临床上剖宫产子宫瘢痕妊娠的患者逐年增加,瘢痕妊娠有着较高的隐匿性,临床发病缺少特异性,但预后极差,若没有得到及时、有效的控制会引发大出血、子宫破裂等,严重需要进行子宫切除治疗,危及孕妇的生命安全。子宫瘢痕妊娠属于妇科急诊,需要进行早期诊断和治疗,从而保证孕妇的生命安全,改善预后[1]。随着临床检测技术的不断提升,经腹、经阴联合彩超逐渐发挥了其检测优势,以其检查简单易操作、无创痛苦小、定位准确、成像清晰等特点被广泛应用在妇科疾病的诊治和疗效分析中,本文分析了经腹和经阴道联合彩超在剖宫产子宫瘢痕妊娠诊断中所发挥的价值,如下。

其次，保证蜘蛛网结构与普通矩形平直结构的对流换热面积A一致，分析两种微通道结构平均对流换热系数h的差异.不考虑自然对流和辐射传热，利用一维热阻对微通道散热器模型温度场进行近似，强迫对流冷却总热阻为:

Az=6(Wc+Hc)⎣

(10)

将蜘蛛网结构的对流换热面积与矩形平直微通道进行对比，蜘蛛网微通道换热器的流道底部覆盖面积Sb为:

(11)

取矩形平直微通道长度l=3a1，微通道数目为m，则其底部覆盖面积为:

维修技师使用道通MS908进入PEPS系统执行“清除K-SK，重新学习钥匙(2把)”功能，重新匹配钥匙后，故障消失，车辆启动正常，无钥匙进入功能恢复正常，问题成功解决。

Sb=2mlWc=6ma1Wc

(12)

则平行微通道数目为:

m=⎣

(13)

同理，矩形平直结构的总对流换热面积Ap为:

Ap=2ml(Wc+Hc)

(14)

因此，在有限的待散热面积内，蜘蛛网结构与矩形平直结构的实际对流换热面积之比为:

(15)

由式(15)看出，由于a1远大于Wc，特将上式进一步简化得Az/Ap大于1，即在同等流道覆盖面积下，蜘蛛网结构中冷却工质与固体壁面间的对流换热面积比矩形平直微通道结构更大.说明在有限待散热面积内，蜘蛛网结构具有结构紧凑、散热比表面积大的优点.

几何之务，不在知其然而在知其所以然；不在知其所以然，而在何由以知其所以然？读定理，既知其然矣；又从而证之，以见其所以然.若此所谓证者，仅口得而传，心不得而求，则此流传二千载，用遍五大洲之十三章经(注：即《几何原本》)，亦特教员专利之秘方耳，曷足贵哉？初中于平面几何之教材，已讲授不少，惟于方法之运用尚欠熟练耳；故高中宜特别偏重焉.本书于第一篇汎论推证之法；而第二篇之于证定理，第四篇之于解作图题，概以方法为经，以教材为纬.凡此种种，皆欲启发学者，示以思维之道耳.

(16)

我们知道，微通道散热器结构的主要冷却方式为强制对流换热，不考虑自然对流和辐射传热，其总换热量为：

建立两种微通道散热器的热仿真模型，保证微通道的流固接触面积均为105mm2；模型参数及边界条件与上文数值分析中的计算模型保持一致.计算完成后，提取相关数据，得到不同雷诺数下对应微通道散热器的对流换热系数h如图9所示.

可以看出，在同等条件下，蜘蛛网结构的平均对流换热系数较矩形平直结构更大，且随着雷诺数增大，两种结构的平均对流换热系数差异更加明显.这是由于蜘蛛网结构中冷却工质受到通道内部肋的干扰，流动方式方向不断改变，进而不断扰动边界层，阻止其不断增厚，可进一步强化散热效果.

综上所述，新型蜘蛛网结构具有散热比表面积大、平均对流换热系数高的优点，由式(5)可知，蜘蛛网结构较普通矩形平直结构具备更优秀的换热性能，工程应用价值显著.

5 蜘蛛网结构散热特性的实验验证

本节对散热性能优秀的蜘蛛网微通道和现有矩形平直微通道的散热和流动性能进行实验对比.利用金属3D打印加工两种微通道散热器，解决了微通道的密封和工质侧流问题，并通过微通道散热器外表面打磨抛光处理和振动光饰加工尽可能降低了样件表面粗糙度.样件X光扫描图像如图10所示.

发热芯片选用10mm×10mm的MCH高温陶瓷片模拟，利用导热硅脂作为芯片和微通道的连接介质，并通过专用夹具进行装夹待导热硅胶完全固化，最大程度降低导热硅胶的厚度.压降利用压差变送器测试.温度测试由T型热电偶(测量误差为0.4%FS(0.5℃))配合数据采集仪实现，且为避免周围环境影响测量精度，特做以下措施：测量点的热电偶热端完全包裹；热电偶屏蔽线避开带电装置；热电偶冷端与数据采集仪相连，并将负极接地.实验平台见图11.

削弱社会大众由于“杨丽娟事件”的“污名化”运动对粉丝群体形成的刻板认知，让更多人看到粉丝形象积极的一面。

控制实验各边界条件一致，调节齿轮泵电压统一微通道散热器的入口流量为210ml/min，调节芯片电压得到四种不同的工况，实验结果见表3.

表3 微通道散热器的实验测试结果

拓扑结构芯片最高温度(℃)10W20W40W60W压降(kpa)矩形平直35.244.361.878.5230.5蜘蛛网型34.042.157.371.4184.7

由表3可知，蜘蛛网结构的散热能力和压降特性均优于矩形平直微通道，且随着芯片热流密度提高，两者散热能力的差异愈加明显.尽管受通道及热源尺寸、样件表面粗糙度、环境条件等诸多因素影响，芯片温度测试值较仿真结果偏低，且微通道散热器的进出口压降测量值较仿真结果偏高，但两者反映的基本规律完全一致，即蜘蛛网型微通道相较矩形平直微通道具有更加优良的流动和换热性能.

从改革开放起，珠江航运就进入了新的发展阶段。从此，改革成为了推进珠江水运科学发展的重要法宝。珠航局行政体制改革的圆满完成、珠江水运供给侧结构性改革的稳步推进、珠江航道管理体制改革研究的不断深化，为珠江黄金水道建设奠定了基础、提供了支撑。

6 结论

本文将仿生学应用于微通道拓扑结构设计，得到多种芯片冷却用仿生微通道结构，且均具有一定的代表性，能够表征同类拓扑结构的流动与换热性能.通过各种仿生微通道与普通矩形平直微通道的数值模拟和实验对比发现：不同拓扑结构在散热方面有着不同的特点.针对矩形芯片，除河流网络结构外，各仿生微通道拓扑结构较普通矩形平直微通道具有更强的散热能力，且随着芯片热流密度提高，各种微通道结构散热能力差异更加明显，故在高热流密度芯片的应用场合，微通道拓扑结构对芯片散热效果影响较大；蜘蛛网型结构具有散热比表面积大、平均对流换热系数高、流体流动性能好等优点，综合散热性能最优，散热能力较矩形提升近10%，进出口压降更低，具有很好的工程应用价值.

虽然本研究GNAT测评程序的信度和效度结果良好，但是还存在一些不足之处：①本研究中GNAT的每个block的trail数量为40，而Williams等[29]认为，trail数量设定在50～80内能获得更好的信度的效度.因此，在此后的研究中可以适当增加每一个block的trail数量，以便于获取更多的数值.②信度和效度均采用敏感性指标d’进行检验.d’是一个二分变量，其取值数要少于反应时的IAT.

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