微电子产业和半导体封装技术的发展使电子芯片朝着高集成度、高功率方向发展,给芯片的散热带来严峻挑战。微流道热沉由于散热性能优良、体积小、噪音小等优点倍受关注,如何在有限的空间内布置合理的流道成为液冷技术研究人员的重要课题。经过漫长的自然选择,自然界的动、植物进化出一套具有优良热质传输特性的输运网络,受自然界中分形网络的启发,本文将Y型（树形）分形网络应用到微流道热沉中,利用遗传算法对4级仿生微流道热沉进行构形优化。首先,分别以泵功率和热阻为优化目标,以N₁,b₁,r₁,r₂为设计变量,优化得到泵功率消耗最小的流阻最优模型结构参数为（5,13.3,6.7,8.8）,对应的能耗为13.6mW;得到热阻最小的热阻最优模型结构参数为（18,4.9,6.8,8.9）,对应的热阻为0.121K/W。数值模拟结果表明,流阻最优模型虽然压降低、能耗小,但散热效果差;而热阻最优模型虽然具有出色的散热性能,但所需泵功率较高。因此有必要进行流阻-热阻联合优化。多目标优化结果显示,在泵功率的有效作用区内,泵功率约束值对分形网络的构形影响很大,具体表现为:泵功率约束越大,初级流道数量越多,流道结构越复杂。对比考察单/多目标最优模型的流动和传热特性,结果表明,多目标最优模型的散热性能与热阻最优模型接近;能耗方面,其能量经济性可以与流阻最优模型媲美,多目标最优模型在满足高热流密度散热需求的同时有效降低了能耗。为了进一步提高热源面的温度均匀性,在多目标最优模型的基础上,本文提出双层和截断型双层热沉。结果表明,双层热沉虽然能有效降低热源面的温度水平,但入口附近仍存在较大的温度梯度,截断型双层热沉能有效改善双层热沉入口附近的“过冷却”现象,其温度均匀性较双层提升24%～30%,此外,截断型双层热沉的极限冷却能力与双层热沉相近,仅比双层低1～2W/cm²。在双层热沉中,底层流道更具换热优势。两层流量相等时,底层/顶层的换热量之比Q_eff1/Q_eff2随总流量的增加从1.22变化到1.33,不同热流密度下换热量之比保持在1.32(q_vtot=500 ml/min)。而在截断型双层热沉中,层间结构的差异将两层的换热量差距拉大,相同条件下,其底层/顶层的换热量之比Q_eff1/Q_eff2从1.31增加到1.39,不同热流密度下换热量之比均保持在1.38。最后,为充分利用底层的换热优势,本文对层间流量分配进行了优化。研究发现,底层与顶层之间存在一个最佳流量比,λ_opt=2,此时两层流体出口温度相等,各层流体的冷却潜力得到充分发挥,峰值温度最低。当流量比λ<2时,层间换热量之比Q_eff1/Q_eff2>λ;而λ>2时,Q_eff1/Q_eff2<λ。只有当λ=2时,Q_eff1/Q_eff2=λ,此时流量分配与热量分配一致,各层流体与微流道壁面之间发生充分的热交换,使截断型双层热沉达到最佳的散热性能。