主動冷卻結構的拓撲優(yōu)化設計及流動傳熱分析*

段治健 馬欣榮

（1.咸陽師范學院數(shù)學與統(tǒng)計學院 咸陽 712000）（2.西北工業(yè)大學機電學院 西安 710072）

1 引言

流體流動系統(tǒng)和傳熱裝置廣泛應用于電子設備、熱交換器網絡、汽車工業(yè)、發(fā)動機、發(fā)電機、航天飛機、潛艇、火箭和衛(wèi)星設計中。尤其是發(fā)動機、電子芯片散熱設計中冷卻流道設計不當會導致零件嚴重過熱，從而限制使用性能和耐久性，甚至導致結構損壞。因此，為了獲得更好的性能和更低的成本，必須設計高效的冷卻系統(tǒng)。

拓撲優(yōu)化設計為此提供了新穎思路，該方法最早由Bens?e 和Kikuchi［1］建立并成功應用于固體力學問題的結構優(yōu)化。優(yōu)點在于：允許在優(yōu)化過程中改變結構拓撲；最終設計幾乎不依賴于初始設計。Gersborg-Hansen 等［2］首次將有限體積法應用于二維穩(wěn)態(tài)熱傳導問題。Borvall 和Peterson［3］的工作開創(chuàng)了流體傳熱系統(tǒng)的拓撲優(yōu)化設計研究。Yoon［4］首次在二維結構網格上，忽略流體區(qū)域內浮力和粘性耗散的影響，采用有限元方法研究了強迫對流溫度場的共軛拓撲優(yōu)化問題，并發(fā)現(xiàn)對流-熱傳導之間的平衡對傳熱系統(tǒng)中散熱結構設計的影響較大。Sun等［5］提出了基于密度變量的三維熱流冷卻系統(tǒng)的大規(guī)模拓撲優(yōu)化方法。Joo 等［6］為了研究自然對流中的形狀依賴效應，考慮傳熱系數(shù)在計算域內變化，提出了一種新的替代模型，采用弱耦合拓撲優(yōu)化方法對自然對流散熱器進行了傳熱優(yōu)化。Sato 等［7］以換熱最優(yōu)和壓降最小為目標，提出了微通道熱沉的基于水平集方法的拓撲優(yōu)化策略。裴元帥等［8］采用變密度方法設計了風冷熱沉結構。……