隨著微電子工業(yè)向高集成、輕量化和多功能等方向快速發(fā)展，芯片等電子元器件的封裝密度急劇增加，熱管理問題愈發(fā)成為制約下一代尖端芯片發(fā)展的瓶頸。池沸騰氣液相變過程具有從表面快速移除大量熱量的優(yōu)越性能，因此具有非常重要的研究意義。國家超算廣州中心衡益教授團(tuán)隊(duì)依托天河二號(hào)，使用“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)+數(shù)學(xué)建模+計(jì)算模擬”的多學(xué)科交叉研究方法，進(jìn)行了基于模型的池沸騰過程氣液相變實(shí)驗(yàn)分析，為微納多孔傳熱結(jié)構(gòu)提供了最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，相關(guān)成果近期正式發(fā)表在工程熱物理權(quán)威期刊《Applied Thermal Engineering》上。


多學(xué)科交叉研究助推高效熱管理

據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子元器件的溫度每升高10-15℃，其相應(yīng)的使用壽命將會(huì)降低50%。溫度升高引起的熱失效是電子芯片失效的主要原因之一。電子芯片的熱管理問題制約著信息科技領(lǐng)域的發(fā)展。另一方面，在航天航空和軍工領(lǐng)域的大型裝備也面臨著亟待解決的散熱問題。高熱流密度散熱技術(shù)也是航天航空高端裝備業(yè)的主要瓶頸之一。
池沸騰是指液體在固液界面由液態(tài)轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的一種復(fù)雜相變過程，因?yàn)榫哂袕谋砻婵焖僖瞥罅繜崃康膬?yōu)越性能而成為非常實(shí)用的高效散熱技術(shù)。微納結(jié)構(gòu)表面可以有效促進(jìn)氣泡成核與脫離，從而強(qiáng)化沸騰換熱過程。然而，如何優(yōu)化反應(yīng)條件，探索微納結(jié)構(gòu)強(qiáng)化沸騰換熱的局部影響，仍面臨巨大挑戰(zhàn)。


國家超算廣州中心交叉研究中心衡益教授團(tuán)隊(duì)與廣東省先進(jìn)熱控材料與系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心合作，依托天河二號(hào)，使用“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)+數(shù)學(xué)建模+計(jì)算模擬”的多學(xué)科交叉研究方法，對(duì)池沸騰中的兩相流動(dòng)與傳熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析研究，為微納多孔傳熱結(jié)構(gòu)提供了最優(yōu)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。近期，相關(guān)研究成果以題為“Model-based Experimental Analysis of Enhanced Boiling Heat Transfer by Micro-nano Porous Surfaces”在中科院分區(qū)TOP期刊《Applied Thermal Engineering》正式線上發(fā)表。

實(shí)驗(yàn)+數(shù)值模擬聚焦傳熱微納結(jié)構(gòu)研發(fā)

衡益教授團(tuán)隊(duì)以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立合理、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，隨后設(shè)計(jì)卷積-反卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并利用天河二號(hào)有效加速模型訓(xùn)練過程?；趥鹘y(tǒng)有限元方法求解傳熱反問題時(shí)通常需要處理大量額外伴隨和敏感性問題，而以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法則能有效減少該類問題的計(jì)算量。
研究團(tuán)隊(duì)利用電沉積方法可控制備蜂窩狀微納多孔結(jié)構(gòu)，探討了所制備的微納多孔結(jié)構(gòu)樣品對(duì)池沸騰換熱性能的影響（見圖1(a)），并結(jié)合樣品CT掃描結(jié)果進(jìn)行了綜合分析（圖1(c)是部分掃描數(shù)據(jù)的截圖（900μm×900μm，樣品厚度為100μm-300μm）），實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部真實(shí)幾何結(jié)構(gòu)重構(gòu)，并進(jìn)一步建立高保真?zhèn)鳠釘?shù)值模型用于傳熱正問題數(shù)值模擬。基于實(shí)驗(yàn)獲取的沸騰曲線，研究人員通過匹配相同熱流密度下實(shí)驗(yàn)沸騰曲線中的壁面過熱度（見圖1(b)）和重構(gòu)幾何結(jié)構(gòu)（見圖1(d)）底面的壁面過熱度，建立樣品表面動(dòng)態(tài)熱流密度模型并優(yōu)化相應(yīng)的模型參數(shù)，最后定量計(jì)算出了相變散出熱量的比例。該研究以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依托超算進(jìn)行各類實(shí)驗(yàn)?zāi)M，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究基于平均效應(yīng)的限制，成功定量描述了微納多孔局部結(jié)構(gòu)對(duì)沸騰換熱性能的重要影響。



圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
(a) 制備樣品及其對(duì)應(yīng)的SEM圖
(b) 沸騰曲線圖
(c) CT設(shè)備及重構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)三維效果圖
(d) 代表性樣品Sample#M2的計(jì)算模型設(shè)置

超算+深度學(xué)習(xí)助力成果高效產(chǎn)出

目前，深度學(xué)習(xí)方法已成為核心的數(shù)學(xué)計(jì)算工具之一。研究團(tuán)隊(duì)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了一種端到端卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)FluxNet，通過建立相應(yīng)偏微分方程正問題的代理模型，來求解此類高瞬態(tài)邊界熱流密度識(shí)別的三維瞬態(tài)傳熱反問題，從而實(shí)現(xiàn)FluxNet網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)效果。依托天河二號(hào)以及超算應(yīng)用平臺(tái)，研究團(tuán)隊(duì)高效求解大量不同工況傳熱模型，共計(jì)算了數(shù)百組不同的多尺度參數(shù)模型。其中，單個(gè)模型自由度個(gè)數(shù)約265萬，時(shí)間和空間未知參數(shù)個(gè)數(shù)超過1.3億。在該研究中，基于FluxNet估算的熱流密度分布與實(shí)際熱流密度分布計(jì)算出的平均SSIM指數(shù)（Structural Similarity，結(jié)構(gòu)相似性）為0.8556，達(dá)到應(yīng)用要求?？紤]到人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的建模策略，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)所關(guān)注的熱流密度分布進(jìn)行更有效、經(jīng)濟(jì)和安全的反演估算，該過程大大提高了三維熱傳導(dǎo)反問題的求解效率，為未來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件的溫度奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。



依托超算繼續(xù)推進(jìn)池沸騰相變研究

隨著先進(jìn)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，相變換熱技術(shù)的應(yīng)用也將越來越廣泛。但現(xiàn)有的池沸騰強(qiáng)化傳熱的認(rèn)知體系以及各類模型還不足以完整、全面詮釋沸騰系統(tǒng)。
未來，研究團(tuán)隊(duì)將借助“天河二號(hào)”以及面向領(lǐng)域的超算應(yīng)用平臺(tái)，基于微尺度高分辨CT成像分析系統(tǒng)，進(jìn)行更大范圍的掃描重構(gòu)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)所估算的局部瞬態(tài)熱流密度信息，進(jìn)一步推進(jìn)池沸騰中的兩相流動(dòng)與傳熱復(fù)雜過程的精準(zhǔn)模擬。同時(shí)，研究人員將通過研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)替代傳統(tǒng)串行正則化求解策略的目標(biāo)，進(jìn)一步加速微納米結(jié)構(gòu)表面研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作，為選取最佳操作參數(shù)以及沸騰表面結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論依據(jù)及數(shù)據(jù)支持，最終為高熱流密度散熱問題相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)貢獻(xiàn)力量。