拓扑优化散热器实现多热源高效液冷：实验与数值研究新突破

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背景

电子设备高集成度导致多热源非均匀散热问题突出，传统均质散热设计难以消除局部热点。现有拓扑优化（TO）研究多限于数值模拟，缺乏多热源条件下的实验验证，且局部流体温度场测量存在技术瓶颈（需穿透金属外壳）。本研究首次实现非均匀加热表面的TO散热器实验测试，突破近壁流体温度场测量难题。

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研究方法

1. 散热器设计与优化

基准模型（RSC）：12通道平行微通道

流量优化模型（OSC）：遗传算法调整通道入口尺寸

拓扑优化模型（GATO）：基于矩阵的遗传算法全局优化流道拓扑

优化目标：加热表面峰值温度最小化（TpeakTpeak）

2. 实验创新

蓝宝石窗口集成：在散热器顶部嵌入蓝宝石片（透光率>65%），实现红外热成像直接测量流体-固体界面温度场

多热源配置：3个独立加热器（直径6/8/10mm），模拟非均匀热负荷

测试参数：流量80–120 mL/min，总功率60–120 W

3. 数值模型验证

3D共轭传热CFD模型（ANSYS Fluent）

网格独立性验证（>1440万网格）

物性参数温度依赖性修正

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研究结果

1. 局部温度场验证

红外测温与CFD预测高度吻合（T∗T∗归一化温度误差<8.6%）

GATO散热器显著降低热点温度：

TpeakTpeak = 343.8 K（较RSC降低13.1 K, p<0.01）

温度均匀性（STDT∗STDT∗）提升32%

2. 流场与传热机理

二次流强化换热：GATO复杂流道产生横向流动与涡旋，破坏热边界层

Nu数提升：在 Rein=474Rein=474 时，GATO的 Nu=12.0Nu=12.0（较RSC提高49.6%）

3. 全局性能指标

结论：GATO以更高压降代价换取综合性能突破，PEC值最高提升87%

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可推广应用

高功率电子冷却

适用于GPU/CPU多核芯片、功率模块等非均匀热负荷场景

实测热点温度降低13 K，显著延长器件寿命

拓扑优化方法扩展

GATO算法可迁移至燃料电池、航空航天热管理系统

结合增材制造实现复杂流道加工（研究原型经数控铣削验证）

测量技术革新

蓝宝石窗口+红外热成像方案为微流道局部传热研究提供新工具

局限与展望

当前限制：高流速下压损增大；几何复杂度增加制造成本

未来方向：

多目标优化（热力/压降/熵产协同）

机器学习加速TO设计

3D拓扑优化应用于多孔介质冷却

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总结

本研究通过实验-模拟协同验证了GATO散热器在多热源冷却中的优越性，其核心价值在于：突破非均匀散热实验测量瓶颈；揭示拓扑优化流道的二次流传热机制；为高功率电子设备热管理提供新范式。