基于双介质模型的三维周期极小曲面主动传热快速解析方法研究

《Materials》：A Dual-Medium Model-Based Method for Rapid Thermal Performance Analysis of TPMS Porous Heat Exchange Structures

　　三次周期极小曲面（TPMS）结构在主动传热领域展现了巨大潜力。这归功于其高比表面积和可控的孔隙连通性。然而，其复杂的几何特征导致在基于RANS的CFD模拟过程中产生显著的计算机成本，极大地限制了其设计和优化过程的效率。尽管现有的等效方法（如体积平均法和多孔介质模型）在一定程度上降低了计算负担，但仍存在局限性。这些局限性包括对微观结构特征的敏感性不足以及对对流换热的表征精度较低。为了解决大规模填充TPMS时上述局限导致的温度场预测偏差问题，本文提出了一种基于双介质模型的快速解析方法。该方法的核心思想是将TPMS结构理想化为连续固体导热介质，并将其内部流道均匀化为共存的达西-福尔希迈勒流体介质。通过均匀化方法精确计算等效固体的导热系数张量，而对流体介质中的对流换热则使用经验关联方程进行表征。最终，在宏观尺度上开发了一个耦合固体热传导和流体对流的快速解析模型。数值算例表明，与传统计算流体力学（CFD）方法相比，该方法将计算效率提高了约22倍，同时保持了高精度，从而为基于TPMS的主动传热结构的快速设计和性能评估提供了一种有效工具。