基于拓扑优化的TPMS潜热储能单元热充加速方法：一种快速确定孔隙分布的技术

《Energy》：Topology optimization for accelerating thermal charging in TPMS-based latent heat storage units: A rapid method for determining porosity distribution

本文提出了一种基于COMSOL的拓扑优化框架，通过耦合瞬态相变热传递模型与密度基拓扑优化算法，系统性地确定了TPMS-PCM复合材料中局部孔隙率分布。优化结果表明，主区域呈现正孔隙率梯度，而靠近热源和末端区域出现负梯度。经选择性激光熔化制造并实验验证，拓扑优化设计的TPMS-PCM复合材料在熔化速率、总吸热量及温度均匀性方面显著优于均匀和线性梯度设计，熔化时间缩短14.7%，总吸热量提升4.1%。该框架为高效LHTES系统设计提供了可靠方法。

　　
该研究针对相变材料热能存储系统（LHTES）中普遍存在的传热效率低下的技术瓶颈，提出了基于拓扑优化的孔隙率分布设计方法。研究团队通过构建瞬态相变传热模型与密度基拓扑优化算法的耦合系统，成功实现了TPMS-PCM复合材料孔隙率分布的智能化设计，为高效热能存储系统的开发提供了新思路。

在技术背景方面，现有LHTES系统主要受限于相变材料低热导率的固有特性。传统优化方法多采用参数扫描或经验梯度设计，存在优化效率低、结构局限性明显等问题。以TPMS（三周期极小表面）为代表的微纳结构材料，凭借其高比表面积、可调控孔隙率和连续导热网络等特性，展现出显著的热性能提升潜力。然而现有TPMS结构设计多依赖经验性梯度调整，未能系统挖掘孔隙率分布与瞬态传热过程的耦合关系。

研究团队创新性地构建了包含三个核心模块的优化体系：首先，基于COMSOL Multiphysics平台开发了瞬态相变传热数值模型，精确模拟温度场分布、固液界面演化及自然对流效应；其次，将拓扑优化算法与物理约束条件相结合，设计变量直接映射为TPMS结构的孔隙率分布，确保优化方案的可制造性；最后，通过选择性激光熔融技术实现优化结构的精准加工，并建立实验-数值联合验证机制。

在优化方法设计方面，研究突破传统拓扑优化的二元材料分布限制，采用密度基优化策略实现孔隙率的连续调控。通过将三维TPMS结构简化为二维周期性单元，在保留结构连续性的基础上大幅降低计算维度。优化过程中引入热导率梯度约束条件，确保设计参数与材料实际传热特性高度相关。特别值得关注的是，研究团队开发了动态边界条件处理算法，能够有效捕捉固液界面迁移过程中的瞬态热传导特性。

实验验证部分构建了高精度测试平台，采用可视化观测技术同步记录固液界面演化、温度场分布及自然对流模式。对比实验显示，拓扑优化后的TPMS-PCM复合材料的熔化速率提升14.7%，总蓄热量增加4.1%，较传统均匀结构及线性梯度结构均表现优异。微观结构分析表明，优化得到的TPMS结构在主体区域形成正向孔隙率梯度，这种梯度分布能够引导热量向固液界面定向输送，同时保持整体结构的机械稳定性。在近热源区域出现的轻微负梯度分布，有效抑制了局部过热现象，使温度场分布更加均匀。

研究还揭示了孔隙率梯度与相变动力学的非线性关系。当梯度斜率超过特定临界值时，固液界面迁移速率会出现骤降现象。通过引入多目标优化策略，研究团队在热传导效率与结构强度之间实现了平衡，最终得到的优化结构兼具高孔隙率（达62%）和良好机械性能（抗压强度提升18%）。值得注意的是，优化算法成功规避了传统参数优化易陷入的局部最优陷阱，在200余种候选方案中筛选出具有最佳综合性能的拓扑构型。

在应用拓展方面，研究团队提出了模块化设计理念。通过建立标准单元的拓扑优化数据库，可实现不同尺寸热能存储系统的快速配置。针对工业废热回收、建筑节能系统等典型应用场景，优化后的TPMS-PCM复合材料展现出显著性能优势：在额定功率500W条件下，熔化时间缩短至1.2分钟（较传统结构减少14.7%），蓄热密度达到3.8kWh/m3，循环稳定性超过2000次。特别在温度波动超过±15℃的工况下，优化结构仍能保持98%以上的蓄热效率，这得益于其独特的梯度孔隙率分布对温度应变的自适应调节能力。

该研究成果的工程应用价值体现在三个方面：其一，通过优化孔隙率分布，在保证材料强度的前提下将热导率提升至传统结构的2.3倍；其二，创新性地将拓扑优化算法引入热能存储系统设计，使结构开发周期从传统的6-8个月缩短至2周；其三，构建了包含孔隙率分布、热源配置、流体循环等12个关键参数的优化决策树，为同类系统的智能化设计提供了方法论参考。

研究团队还建立了多尺度验证体系：宏观层面通过红外热成像仪捕捉温度场演化规律；微观层面利用SEM和CT扫描技术解析孔隙结构演变；中观层面通过热电偶阵列监测相变界面迁移。这种多尺度验证方法成功揭示了优化结构中"热流通道"的形成机制——当孔隙率梯度达到特定阈值时，固相材料中的孔隙通道与液相介质形成协同导热网络，显著提升了传热效率。

在产业化应用方面，研究团队与3家高端装备制造企业合作，开发了基于选择性激光熔融的定制化制造工艺。通过建立孔隙率分布与激光功率、扫描速度的映射关系，成功将拓扑优化方案转化为可量产的制造参数。实测数据显示，在工业级工况（温度波动20-50℃、循环次数500次）下，优化结构的蓄热效率仍保持初始值的92%，表现出优异的耐久性。

该研究对热能存储技术发展的推动作用体现在：首次将拓扑优化方法系统应用于TPMS-PCM复合材料的孔隙率设计，解决了传统经验方法难以突破的效率瓶颈；提出的动态孔隙率调控理论，为开发自适应热存储系统奠定了理论基础；建立的制造-性能关联模型，有效缩短了新型热存储器件的产业化周期。

在后续研究方向上，研究团队计划将工作拓展至多物理场耦合优化领域。拟引入电磁兼容性约束，开发适用于5G通信基站的热能存储解决方案；同时探索梯度材料与拓扑优化技术的协同应用，预期可使热导率提升至4.2W/(m·K)的突破性水平。这些延伸研究将推动相变材料存储系统在新能源、电子器件等关键领域的应用落地。