面向高温服役环境的梯度TPMS晶格芯主动冷却板一体化热-机械优化

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Integrated thermal-mechanical optimization of gradient TPMS lattice-cored actively cooled panels for high-temperature service environments

　　

•本研究提出了一种用于主动冷却 TPMS 嵌入板的集成热 - 力优化框架。
•拓扑优化和均匀化理论共同定制冷却剂路径、晶格填充和板厚。
•峰值和平均壁温分别降低了 29.8 °C 和 16.8 °C。
•弯曲刚度和屈服力分别提高了 70.17% 和 17.68%，而质量减少了 20%。

引言
承受高热载荷的结构广泛存在于航空航天推进系统、高温能源装置和先进热防护结构中。因此，有效的热管理对于防止材料退化、保持结构完整性和确保系统可靠运行至关重要。在各种冷却策略中，带有内部流道的主动冷却板因其在保持紧凑结构配置的同时能够移除大量热量而得到了广泛研究。
传统冷却板通常采用直流道或矩形流道，因为制造简单。然而，这种流道几何形状往往导致流体混合有限且对流传热性能相对较弱。一方面，均匀排列的流道往往导致单一的冷却剂流动路径，这可能引起热分层并降低局部传热效率 [1], [2]。另一方面，为了满足高温承载要求，结构厚度通常需要增加，导致重量显著增加 [3]。有限的冷却剂质量流量和极高的热产生的结合对主动冷却系统的传热性能提出了严格要求。此外，传统流道布局对板的结构支撑有限，当结构承受机械载荷时，可能导致刚度不足或承载能力不够。例如，超音速冲压发动机燃烧室壁在强烈的空气动力学压力和燃烧热作用下工作 [4], [5], [6]。在这种情况下，发动机冷却壁板不仅必须高效散热以防止烧蚀或结构失效，还必须具有足够的机械强度以承受热耦合载荷。与此同时，减重仍然是航空航天系统的关键要求。因此，迫切需要一种新型冷却流道结构，同时集成承载能力、增强散热和轻量化特性。
为了提高主动冷却板的传热效率，已对冷却通道的传热优化进行了广泛研究。Feng 等人 [7] 通过在冷却壁上设置凹坑和肋条引起湍流来增强局部传热性能。Li 等人 [8] 提出了一种嵌套冷却通道排列以提高冷却剂流动分布的均匀性。Zhang 等人 [9] 采用拓扑优化方法生成适应非均匀热通量的冷却通道配置。通过在通道壁上引入扰流结构促进流动加速、分离和再附着，可以在一定程度上延迟和缓解局部传热的恶化。Liu 等人 [10] 研究了采用圆形四面体晶格结构的再生冷却通道的流动和传热特性，并证明在超临界冷却条件下具有增强的热性能。
近年来，代理模型方法变得越来越流行。Sikirica 等人 [11] 提出了一种结合拉丁超立方采样、基于机器学习的代理模型和多目标优化的工作流程。Zhang 等人 [12] 提出了一种基于代理模型和计算流体力学分析的微通道散热器多目标优化方法。然而，基于代理模型的优化方法设计自由度有限，需要获取耗时的大型数据集，且缺乏物理可解释性。
最近的研究表明，TPMS 结构由于具有光滑连续的表面和高比表面积 [13]，以及流体晶格通道内的涡流形成 [14]，表现出稳健的对流传热能力。You 等人 [15] 研究了 TPMS 结构和传统直通道在宽雷诺数范围内的传热特性，并考察了多方向孔隙率梯度对传热增强的影响。Renon 等人 [16] 比较了 Schwarz-diamond 和 Schoen-gyroid TPMS 结构的热能和水力性能，发现两者均表现出优越的热能性能，而 Schwarz-diamond 结构显示出较低的压降。Yang 等人 [17] 研究了晶格阵列填充对再生冷却通道的影响，并比较了不同晶格填充类型的传热性能。随着增材制造技术的快速发展，基于这种耦合宏观和微观特征的晶格结构的主动冷却系统已成为可制造和实验验证的。Liu 等人 [18] 使用选择性激光熔化制造了一种金属 TPMS 热交换器，并通过实验证明其传热性能与理论预测非常吻合。
因此，分级 TPMS 结构的有效设计已成为全球研究焦点。通过改变宏观域中不同位置 TPMS 单元格的壁厚度，可以定制内部孔隙率以操纵流场，从而增强对流传热。已对具有非均匀和分级特性的 TPMS 结构进行了大量研究。Tang 等人 [19] 报道称，在特定的 TPMS 拓扑中增加壁厚度可增大热交换表面积并增强传导。Qian 等人 [20] 基于场协同原理设计了一种 G-D 型 TPMS 热交换器，其中 Gyroid 和 Diamond 结构的组合增强了传热。Ohtani 等人 [21] 开发了 TPMS 热交换器的多孔介质模型，并通过考虑压降和传热速率优化了壁厚分布。他们的结果表明，最优设计在中部区域具有较厚的壁。
拓扑优化是一种计算设计方法，旨在在给定的设计域内，在规定的物理约束和优化目标下自动识别最佳材料分布 [22]。近年来，冷却通道的拓扑优化取得了重大进展 [23]。Haertel 等人 [24] 使用密度法对热交换器进行了二维拓扑优化以最小化平均温度，并讨论了压降约束和雷诺数对热性能的影响。Koga 等人 [25] 研究了同时考虑压降和传热速率的多目标优化问题，表明优化后的散热器实现了高效的热分布，实验验证确认了所提方法的准确性。Han 等人 [26] 通过拓扑优化设计了蛛网状冷却通道，实现了最大值和最小值之间温差 57.35% 的降低。Hu 等人 [27] 通过拓扑优化证明优化后的通道在冷却效率方面显著优于传统直通道。Wang 等人 [28] 提出了一种用于质子交换膜燃料电池冷却通道的多目标热 - 流 - 力拓扑优化方法。然而，大多数流动通道的拓扑优化并未考虑晶格结构。
关于填充 TPMS 单元的设计，Kang 等人 [29] 采用具有密度阈值的拓扑优化将优化设计分为两个区域，并根据密度分布填充两种不同的晶格结构。Yeranee 等人 [30], [31] 应用拓扑优化开发了高性能蛇形冷却通道，结合 Diamond 型 TPMS 结构，在降低流动阻力的同时提高了整体传热。Men 等人 [32] 提出了一种基于有效多孔介质模型的 IWP-TPMS 拓扑优化方法，优化后的 IWP-TPMS 结构显示出降低的峰值温度和压降。除了对流传热能力外，TPMS 晶格结构还表现出优异的机械性能。通过调整晶格单元的体积分数，可以实现机械性能和传热性能的协同优化 [33]。例如，多尺度优化方法允许在不同空间尺度上进行结构调整，以满足规定的热力学和机械目标。Imediegwu 等人 [34] 将离散晶格单元属性映射为连续宏观材料属性函数，并使用数值算法求解耦合的热和热结构优化问题；然而，他们的工作中未考虑流体效应。
尽管许多研究证明在流动通道中添加 TPMS 结构可以显著改善冷却性能，但 TPMS 的最佳空间布局设计仍需进一步研究。现有研究主要集中于 TPMS 单元的参数优化或宏观流动通道的拓扑优化，很少将 TPMS 结构与流动通道拓扑优化相结合，缺乏同时考虑流 - 热 - 力特性的 TPMS 结构优化设计。
受高温结构中散热和承载性能综合需求的驱动，本文提出了一种基于晶格配置设计和拓扑优化方法，包含嵌入 TPMS 晶格结构的主动冷却壁板设计框架。该框架利用了晶格结构在承载、流体传输和散热方面的多功能特性，同时考虑了薄壁结构中由大局部热梯度引起的热分层破坏。通过集成基于拓扑优化的平面布局优化和基于均匀化理论的厚度优化，开发了一种新型主动冷却壁板配置。所提出的设计使用金属增材制造制造，并进行了高温热 - 力性能测试。实验结果表明，所提出的设计具有良好的可制造性和优越的多功能性能，在散热、承载能力和轻量化特性方面显著优于传统直通道结构，为工程应用提供了一种新的设计策略。

章节片段
问题描述
本节详细介绍了研究问题，包括设计组件的尺寸、其工作条件和测试条件。
基于 TPMS 晶格填充的主动冷却板优化设计
提出了一种基于 TPMS 晶格填充的主动冷却壁板新型优化方法，以充分利用 TPMS 单元在承载和传热方面的多功能特性。该方法结合了全局流道优化和基于晶格的局部增强，形成了耦合的拓扑 - 晶格 - 厚度优化策略。数学上，拓扑优化改善了宏观流体均匀性并增强了整体传热
实验装置
对于直通道参考设计和优化设计，冷却壁板均采用 GH3536 材料通过选择性激光熔化（SLM）制造。为了能够与管道系统连接，使用相同材料通过 CNC 加工制造了接头和集流管，随后焊接到冷却板上，如图 14 所示。为了验证制造工艺并确保数据可靠性，为直流道和”
每个直流道和”
进一步仿真与讨论
在本节中，除了实验测试的直通道和优化通道外，还添加了两种其他优化方法的对照组，以提供更强的基准：通过多目标拓扑优化获得的通道 [28] 和通过基于代理模型的优化获得的通道 [11]。这两个额外的参考配置与直通道配置具有相同的厚度和相似的体积分数。图 19 显示了几何
结论
本研究提出了一种热 - 力优化方法论，通过晶格结构和冷却通道的集成设计，协同增强主动冷却壁板的散热和承载能力。该方法适用于涉及稳态不可压缩流动和高热流密度的应用，并具有通用的设计灵活性。在实际系统中，本研究可应用于需要散热和”

CRediT 作者贡献声明
Mulei Hao：撰写 – 初稿，方法论。Zhiping Jiang：验证，资金获取。Lin Wang：数据整理。Yunfeng Luo：可视化。Quhao Li：撰写 – 审稿 & 编辑，监督。Shibin Li：项目管理，形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会被认为影响本论文中报告的工作。
致谢
本研究受山东省自然科学基金优秀青年基金（项目编号：ZR2024YQ036）、中国国家自然科学基金（项目编号：52375253, 12202154）、山东省重点研发计划（项目编号：2023****0301）以及泰山学者专项基金支持。

Mulei Hao|Zhiping Jiang|Lin Wang|Yunfeng Luo|Quhao Li|Shibin Li