面向金属泡沫散热器设计的自然对流拓扑优化

摘要

针对传统方块型金属泡沫散热器散热效率不高，难以满足高功率电子器件散热需求的问题，发展了基于格子Boltzmann和水平集方法的三维拓扑优化方法。首先，采用格子Boltzmann方法求解多孔介质内的流动和传热过程；然后，采用伴随格子Boltzmann方法计算梯度；最后，根据反应-扩散方程更新水平集函数。通过对底部放置发热元件方腔的自然对流过程开展拓扑优化，得到特征格拉晓夫数为2.4×10～2～1.2×10～5的4种优化散热器结构，定量评估了散热器的强化换热性能并分析相关机理。研究结果表明：随着格拉晓夫数的增大，散热主导机制由热传导转变为热对流，优化结构由伸展的树枝状向收缩的花朵状结构转变，以留出更多空间使得流动涡旋充分发展；与传统的金属泡沫方块结构和开槽的金属泡沫块结构相比，所提优化结构表现出优异的散热性能，其分支结构和中空结构能够优化方腔内的流动，从而将散热效率提升了29.7%以上，表明了所提拓扑优化方法的有效性。研究工作可为新型金属泡沫散热器的设计提供理论指导。

关键词

散热器设计 / 强化换热 / 伴随格子Boltzmann方法 / 金属泡沫 / 拓扑优化

基金资助

国家自然科学基金资助项目（52376074）