Ag/MgO杂化纳米流体在微通道中的熵分析与热性能数值研究：面向高性能电子器件的高效冷却解决方案

推荐：针对微电子器件散热需求，研究人员通过数值模拟研究Ag-MgO/water杂化纳米流体(HNF)在微通道中的热工水力性能及熵产特性。结果表明，1.5 vol.% HNF在Re=800时热工水力性能因子(THPF)达1.254，CPU温度最大降低6.32%，总熵产减少10.71%，为高功率电子设备提供了紧凑可靠的冷却方案。

　　

随着电子器件功率密度持续攀升，微通道散热器(MCHS)面临严峻挑战。传统冷却液如纯水已接近其传热极限，而单一纳米流体(MNF)存在稳定性与热导率的矛盾——例如Fe₃O₄纳米颗粒虽稳定但导热差，银(Ag)纳米颗粒虽导热优异却易氧化。更棘手的是，现有研究对新型Ag-MgO/water杂化纳米流体(HNF)在矩形微通道中的熵产机制与热性能缺乏系统认知。

为突破这些瓶颈，Ibrahim E. Sadiq团队在《Results in Engineering》发表研究，首次将Ag-MgO/water HNF应用于CPU集成微通道的数值模拟。研究采用有限体积法，在Dh=0.42 mm、AR=2.33的微通道中，对比分析了0.5-1.5 vol.%浓度范围内HNF与MNF的性能差异。通过建立热阻、Nusselt数、Bejan数等多维度评价体系，揭示了Ag与MgO纳米颗粒的协同增效机制。

关键技术方法包括：1)基于Hamilton-Crosser模型和Esfe实验关联式计算HNF热物性参数；2)采用SIMPLE算法求解三维流动与传热控制方程；3)通过网格独立性验证确保计算精度；4)结合Shah-London关联式验证摩擦因子预测准确性。

5.1 验证研究

通过对比Hussien等实验数据，摩擦因子误差<2%，Nusselt数与Shah-London关联式偏差约4%，证实模型可靠性。单相假设在φ<5%时与两相模型结果吻合良好。

5.2 热工水力分析

温度均匀性参数θ在1.5 vol.% HNF中降低29.94%(Re=100)。热阻最大降幅达29.13%，显著优于Ag/water(14.58%)和MgO/water(19.77%)。Nusselt数提升13.33%，归因于Ag-MgO协同效应增强边界层扰动。

5.3 熵产分析

在Re<1600时，1.5 vol.% HNF总熵产降低10.71%，其中热熵产下降10.74%抵消了摩擦熵产29.91%的增幅。转折点出现在Re=1000，此时热熵产主导(Bejan数≈0.5)。

5.4 经济性评估

价格-性能因子(PPF)显示，1 vol.% HNF性价比最优，较Ag/water MNF提升300%，这得益于MgO(0.89/g)对Ag(3.95/g)成本的平衡。

该研究证实Ag-MgO/water HNF在Re=800时THPF达1.254，较MNF提升2%。其核心创新在于：1)阐明MgO抑制Ag氧化的稳定机制；2)首次量化HNF在过渡流区(Re>1600)的性能拐点；3)提出1 vol.%为性价比最优浓度。这些发现为第五代移动通信基站、高性能计算芯片等场景的散热设计提供了理论依据，同时为多元纳米流体系统研究开辟了新思路。需注意的是，实际应用中需配合腐蚀抑制剂(如tolytriazole)解决Ag可能引发的电化学腐蚀问题。