相控阵雷达利用电扫描技术实现对目标的搜索和跟踪,具有探测距离远、精度高、抗干扰能力强和可靠性高等特点,在现代军事领域具有重要地位。为适应雷达探测距离、扫描精度的更高要求以及小型化、集成化需要,相控阵天线阵面芯片的功率密度和数量都在不断增加,如何有效控制阵面芯片的最高温度和减小芯片之间的温差已成为相控阵天线设计的关键技术。为此,本文开展相控阵天线的微通道冷却技术研究,重点研究微通道拓扑结构对芯片最高温度和天线阵面温度均匀性的影响。具体研究内容如下:(1)单芯片微通道拓扑结构及单相对流传热特性研究为强化微通道传热特性以满足芯片热流密度日益增长的散热需求,首先研究了多种基于自然生物结构的微通道拓扑,对其流动和单相对流传热特性进行了数值研究。结果表明,蛛网型微通道能够明显强化传热,主要原因在于对流传热面积增大、流体扰动增强、流速分布均匀等。其次研究了蛛网型微通道的结构参数对传热性能的影响,得到了优化的拓扑结构。然后采用3D打印加工了微通道散热器,通过实验验证了蛛网型微通道的良好传热性能。最后提出了概念蛛网微通道并研究了其流动和传热性能,为高热流密度芯片微通道结构设计提供了依据。(2)单芯片蛛网型微通道两相流动沸腾传热特性研究为获得蛛网型微通道的两相流动沸腾传热特性,首先分析了VOF和Mixture模型的特点。然后采用Mixture模型对比分析了蛛网型微通道和平直微通道的沸腾传热特性,并结合VOF模型观察了两种微通道内的气相分布特点。结果表明,蛛网型微通道的沸腾传热性能优于平直微通道,主要原因可归结为气泡成核数量和气体运动速度的提高。最后通过实验对蛛网型微通道的沸腾传热性能进行了验证。(3)多芯片阵面微通道拓扑结构及单相对流传热特性研究为控制天线阵面芯片的最高温度及温度均匀性,将适用于高热流密度单芯片冷却的蛛网结构拓展到天线阵面。首先提出概念蛛网阵面微通道拓扑结构,并对其流动和单相对流传热特性进行数值分析。结果表明,相比平行、树状分叉和叶脉拓扑结构,概念蛛网阵面微通道不仅强化了传热,降低了芯片最高温度,而且使芯片温度更均匀。然后研究了概念蛛网阵面微通道的结构参数对传热性能的影响,并对其结构适应性进行了探讨。最后采用金属3D打印加工了样件,通过实验验证了概念蛛网阵面微通道优良的传热性能,并研究了入口温度、入口流量和热流密度对芯片温度均匀性的影响。(4)多芯片概念蛛网阵面微通道两相流动沸腾传热特性研究为获得概念蛛网阵面微通道的两相流动沸腾传热特性,首先解决了三维复杂模型两相流数值仿真中的技术难点,基于Mixture模型以及跨尺度网格划分方法进行沸腾传热计算,不仅保证了计算过程的收敛性和准确性,而且在保证网格质量的前提下大幅降低了网格数量。然后通过实验验证了数值仿真方法的准确性。最后分析了两相流数值方法的应用,包括分析热流密度和入口流量等参数对微通道冷板沸腾传热特性的影响,优化微通道结构以强化沸腾传热特性。通过上述内容的研究,本文形成了以下创新点:(1)提出了一种用于高热流密度单芯片强化传热的蛛网型微通道拓扑结构。该拓扑结构借助仿生学思想,基于自然界的蜘蛛网进行设计。结果表明,与平直微通道相比,在芯片热流密度达到1000 kW/m~2时,蛛网型微通道能使芯片最高温度降低9.9℃,而且随着热流密度增大,芯片最高温度降低更加明显。通过提取出蛛网具有联通的多级回路这一显著特征,进一步得到了概念蛛网微通道结构。研究结论可为高热流密度芯片冷却微通道设计提供参考依据。(2)提出了一种面向多芯片阵列的概念蛛网阵面微通道拓扑结构。该结构将单芯片蛛网型微通道进行拓展,其显著特点是包含多组并联且关于阵面中央对称的概念蛛网微通道。结果表明,概念蛛网阵面微通道不仅可以降低芯片最高温度,更重要的是能改善芯片阵列之间的温度均匀性。该拓扑具备较好的适应性,可针对不同芯片阵列以及进出口位置进行调整,满足天线阵面的温度均匀性要求。(3)提出了一种面向复杂阵面微通道拓扑结构的数值建模方法。针对微通道尺寸与天线阵面尺寸相差多个数量级给网格划分带来的困难,提出了微通道跨尺度网格划分方法,将模型按结构特点进行分块并分别划分网格,同时结合优先级网格划分算法只划分流体网格,可在保证网格质量前提下大幅减少网格数量,降低建模难度和模型规模。实验结果验证了该方法的准确性,为复杂阵面微通道的建模提供了有效手段。