本小節將從流體動力學方面來闡述熱設計。

進行熱設計最基礎的理論是傳熱學和流體力學。傳熱學主要研究熱量傳遞的基本形式、傳熱機理以及傳熱計算方法。而流體力學主要研究流體流動特性和流動時阻力計算等。數值求解溫度場是基于流場的計算結果上的，流體流動滿足三大守恒定律，包括質量守恒、動量守恒和能量守恒。

為了充分理解自然對流或強制對流的傳熱，有必要對流體動力學有一個基本的了解。

流體是指任何沒有形式的物質。液體和氣體都是流體。此外，為了區分液體和氣體，液體有一個表面，而氣體會膨脹以填充一個體積。液體通常被認為幾乎是不可壓縮的，而氣體則很容易被壓縮。絕大多數冷卻液流都是不可壓縮的。

涉及流體動力學的先進的冷卻技術包括Liquid Immersion Cooling（液體浸沒）、Multiphase cooling（多相冷卻）和Jet impingement（射流沖擊）。

1. Liquid Immersion Cooling（液體浸沒）

液體浸沒冷卻是通過浸沒在導熱的介電液體中來減少硬件中的熱量。

浸液冷卻最簡單的例子之一是將標準風冷計算機的硬件浸入礦物油中。礦物油是不導電和無電容的，對電子產品沒有威脅。電腦愛好者有時會使用這種方法，使用標準的水族館來放置硬件。風扇繼續旋轉，使油以較低的速度在散熱器上循環，但使用比空氣更有效的流體介質進行冷卻。這冷卻了部件，因為油首先吸收熱量，然后受益于蒸發冷卻。然而，這種方法無法處理高熱負荷，需要偶爾補充機油。

更復雜的浸沒冷卻方法被用于展示計算機、大型機和數據中心。這些系統仍然經常利用蒸發冷卻并浸沒零件，但它們通常是一個封閉系統，更像是傳統的液體冷卻（配有泵和外部散熱器）和浸沒冷卻的混合體。他們的液體通常是一種工程介電流體，其沸點低于水。液體蒸發、冷凝并滴回專門設計的儲罐。這種循環降低了流體的成本，而流體通常是專有的且昂貴的。

與使用冷卻器、熱泵和暖通空調的傳統數據中心冷卻相比，液體浸沒的耗電量減少了99%。以更低的成本進行更大的冷卻也使得更大的系統密度是可行的。許多浸沒式冷卻裝置都很復雜。然而，更簡單但非常有效的開放式浴槽系統通常產生最低的操作成本。其他好處包括幾乎無聲的操作和更少的灰塵，因為減少了氣流影響。

水冷可能會限制數據中心設計的靈活性，因為連接到管道的系統無法輕易重新排列。電子系統和水的結合也使災難恢復規劃（DRP）變得復雜。管理員需要提前知道他們將如何處理潛在的問題，如生銹或泄漏。電介質液體的浸沒冷卻減輕了許多這些問題以及對電氣系統和水結合的普遍擔憂。

冷卻劑可以創造性地用于將熱量輸送到有用的地方，從而有效地節省熱量。大多數數據中心浸沒式冷卻解決方案的實施成本很高。然而，由于冷卻中使用的電力是最大的運營成本之一，浸入式冷卻的初始支出通常會很快被節省的電力所抵消。

2. Multiphase cooling（多相冷卻）

多相冷卻從一種特殊配方的、沸點非常低的非導電冷卻劑開始。當冷卻劑的溫度升高時，它會變成氣體，上升，然后在到達散熱器（冷凝器）后凝結回液體。任何時候一種物質發生相變，都需要大量的能量，稱為潛熱。這種能量以熱量的形式從被冷卻的部件中獲取。

多相冷卻的許多優點是熱力學性質的直接結果。使用潛熱，該系統不需要移動部件（如泵、電子設備），比任何液體冷卻系統都能自我維持、更小、更輕、更安靜。從而允許系統在一般情況下和在最大應力下都在較低的溫度下運行。多相冷卻過程的效率是風冷應用的2000倍，是液體冷卻的500倍。

3. Jet impingement（射流沖擊）

液體射流沖擊是去除局部集中熱量的有效方法。可以使用一個簡單的直噴嘴或收縮噴嘴來形成液體射流，并且該噴嘴可以直接指向熱負荷區。液體以特定的壓力被泵入噴嘴，使其以特定的速度排出。當射流沖擊受熱表面時，會出現薄的流體動力學和熱邊界層，從而產生最小的熱阻。

因此，對流傳熱系數很高，使其非常適合冷卻高度局部化的高熱流源，同時將表面溫度保持在安全極限以下。如下圖所示，噴嘴釋放出一股沖擊目標表面的液體射流。在自由表面射流中，由于高密度，表面張力應力和射流和氣體交界處的氣流捕獲的影響以及流體和周圍氣體之間的粘度差通常很小。重力表面張力和重力決定了自由表面的幾何形狀。這些力的大小由射流的速度、大小和方向決定。

當圓形流體射流與平坦的水平目標表面碰撞時，可以形成圓形水力跳躍。流動在徑向延伸穿過表面時形成薄膜。薄膜厚度在距離沖擊部位一定徑向距離處突然上升，從而確定了水力躍變。明顯翹曲的自由表面、邊界層區域以及隨后的流動分離都涉及到這些類型的水力跳躍。下圖描述了撞擊射流的配置。

幾十年來，研究人員一直在考慮通過高速空氣噴射來冷卻熱電子設備的潛力。然而，噴射冷卻系統今天并沒有被廣泛使用。阻礙使用這些系統的兩個最大障礙是它們的復雜性和重量。空氣噴射系統必須由金屬制成，以便能夠處理空氣噴射相關的壓力。空氣處理系統可能很復雜，有許多離散的部件來管理氣流并將空氣引導到需要冷卻的熱點。

University of Illinois 研究人員已經證明了一種新型的空氣噴射冷卻器，它克服了以前噴射冷卻系統的障礙。利用增材制造，研究人員在單個部件中創建了一個空氣噴射冷卻系統，該系統可以將高速空氣引導到多個電子熱點上。研究人員用堅固的聚合物材料制造了冷卻系統，這種材料可以承受高速空氣噴射帶來的惡劣條件。

目前，大多數電動汽車都使用水平冷卻技術，但隨著功率密度的增加，這些冷卻方法將變得不足。由于熱性能的改善，液體射流沖擊是一種有吸引力的冷卻技術，已經進行了數值測試和實驗實現。盡管目前尚未在工業上實施，但研究表明，作為一種熱管理技術，它取得了非常有希望的結果。

下圖所示的是汽車電子設備使用射流沖擊部件和系統概述：（a） 噴射孔（b） 射流沖擊歧管（c） 增強型表面（d） 安裝在動力模塊上的射流沖擊歧管，（e） 射流沖擊功率模塊冷卻的真實實例（f） 車輛冷卻回路

射流沖擊設計、制造方法、功率模塊中的材料和有效冷卻表面積都對冷卻功率電子器件時的傳熱系數有影響。然而，射流沖擊已被證明可以將模具的最高溫度和模具之間的溫差保持在臨界值以下。在電力電子模塊的傳統射流沖擊設計之上，先進的射流沖擊技術可以應用于更高的傳熱率，包括噴射射流和合成射流。

電力電子設備的有效熱管理對于可靠性和提高功率密度至關重要。在隨著下一代電力電子設備實現寬帶隙器件，增加的熱通量將需要更先進的冷卻策略。射流沖擊作為一種先進的電力電子冷卻技術，由于其在高熱通量應用中的熱性能得到了證實，未來必將得到更廣泛的應用。

文章來源：CAE工程師筆記