在2025-2026年度ASME K-16电子开辟传热委员会/IEEE ITherm学生冷板假想竞赛中，宁波诺丁汉大学MicroAero团队凭借一份兼具表面深度与制造可行性的3D打印冷板假想，从环球多所高校中脱颖而出。

竞赛要求参赛团队在给定的功率分散和流量条款下，假想一款液体冷板，在满足增材制造拘谨的前提下，最小化热阻与压降。MicroAero团队提交的假想有盘算，呈现了一套圆善的分层多步调热工-水力学假想门径论。最终假想，与基线值比较压降诽谤54.8%，品性因数（FoM）达到0.038。

本期3D科学谷将共享竞赛专揽方透露的技能文献，供专科读者快速了解其假想头绪。

1. 假想形容

为管制高热通量耗散与水力学压降之间的严峻量度问题，本冷板架构选用了一种汇集宏不雅热换取与微不雅水力学重构的系统性养殖策略。该假想交融了流体能源学畛域层法例的表面旨趣与电化学增材制造（ECAM）的精度。诈欺纯铜不凡的导热所有（k ≈ 380 W/(m·K)），构建了复杂的三维流体网罗，体现了“材料战胜功能”的假想理念。

图1：冷板概览：(a) 鸟瞰图，展示举座分支通谈布局；(b) 侧视图，越过分层结构与流动旅途。

1.1. 宏不雅架构：物理驱动的拓扑优化

其主要格式源于汇集了热-流体物理的数学优化。在 36×29×2 mm 的假想域内，选用固体各向同性材料处分（SIMP）门径引申了基于密度的拓扑优化。目标函数在给定功率分散下最小化体积平均温度，从而生成物理驱动的分支式热输运旅途。

目标热分散映射。 如图1(a)所示，该算法优先最小化举座热柔度，以生成访佛生物头绪的分支式热输运旅途，并阐述竞赛特定的功率分散进行了遍及化更正。

骨架结构。 这些分支骨架结构动作热输运骨干，将热量从高热通量中心区域（H区）快速传导至外围，同期界定主要的流体通谈，如图1(b)所示。然则，仿真收尾标明，原始拓扑中贯串的固体壁面导致热畛域层增厚，并在收缩区域隔邻酿成流动停滞区，这需要在微不雅细化阶段加以管制。

1.2. 微不雅细化：畛域层重启与羼杂化

为克服原始拓扑的性能截至，在骨架结构中融入了微不雅特征增强措施，达成了传热与压降的均衡优化，如图2所示。这些措施包括流线型通谈、集成式域切片、变密度针肋阵列以及倒三角形开孔。

图2：微不雅细化特征：(a) 针肋假想；(b) 三角形性能假想；(c) 集成式切片假想。

用于诽谤流动阻力的流线型通谈。 通盘里面通谈均选用流线型假想，以捣毁敏锐拐角和滞流空腔，减少流动分离并确保幽静的速率场。

用于畛域层重启和诽谤压降的集成式域切片。 如图2(c)所示，贯串的拓扑壁（销子3）被周期性地分割成不贯串的导流叶片，以触发畛域层重启机制。这迫使热畛域层在每个前缘从头发展，保管较高的局部对流传热所有，同期通过受集成切片架构启发的诽谤流动旅途来诽谤压降。

用于均匀热流和促进湍流的变密度针肋阵列。 诈欺ECAM的高离别率，在低速通谈内交代了非均匀的袖珍针肋（销子1），如图2(a)所示。这些针肋动作湍流促进器，通过尾流涡流增强流体羼杂，并加多固-流界面面积，达成均匀的热流分散。

用于改善流动分散和酿成三维旁路网罗的倒三角形开孔。 沿主要热脊在销子2处引入了倒三角形开孔，以均衡举座压力场，如图2(b)所示。这种几何构型当然地将流线换取至相邻通谈，最小化收缩和彭胀吃亏，并酿成一个三维旁路网罗，开运中国官方网站缓解压力齐集。

2. 假想分析

本冷板架构的假想目标包括两个方面：增强传热性能和诽谤压降。如图3所示，冷板假想侧重于拓扑优化，以探索最好的材料和通谈建立。同期，选用针肋来增强传热性能，并选用流线型通谈、集成式切片和三角形开孔来诽谤压降，从而进步冷板的举座性能。

图3：冷板假想优化框架

2.1. 传热性能优化

2.1.1. 用于改善传热的拓扑优化

拓扑优化是一种通过数学算法自动细则最好材料分散的假想门径。为了取得最好的流谈建立，在冷板的二维可假想区域内引申了基于密度的拓扑优化。与流体讲和的微通谈层被界说为假想域。为了最小化假想域内固体结构的体积平均温度，其数学抒发式为：

其中T是温度，Ω示意假想域。主要拘谨是将固体材料体积分数保管在 ≤ 0.6。伪密度 γ（鸿沟从0（固体）到1（流体））被用作假想变量。使用固体各向同性材料处分（SIMP）门径对材料属性进行插值，达西处分因子为0.05。选用出动渐近线法（MMA）进行迭代求解，并辅以亥姆霍兹滤波器以捣毁棋盘格图案并确保了了的通谈畛域。拓扑优化的收尾如图4所示。

图4：拓扑优化收尾：(a) 阐述热分散生成的通谈建立，蓝色区域代表流体域，其他区域示意固体壁面；(b) 由优化几何神态导出的相应流领略径；(c) 受这两项不雅察启发，展示了集成式假想理念，其中开动通谈被汲取性切片和重构。

2.1.2. 用于均匀热流的针肋假想

对冷板的询查标明，添加针状结构加多了传热面积，增强了流体的湍流进度，从而提高了传热的均匀性，但也加多了流动阻力。对多样针肋几何神态和尺寸进行了比较询查，以评估其热工-水力学性能。相应的收尾纪念于附录B中的表B1和图B1，收尾标明汲取针(f)用于最终假想，如图2(a)所示，鲸鱼直播2026世界杯赛事直播入口因为其几何神态和空间交代在增强传热与水力学吃亏之间提供了最成心的均衡。同期，为了取得均匀的热流，选用了变密度的针肋交代，在热关节区域围聚更高的针密度，同期在压力敏锐流动旅途中保抓水力学透明性。

在最终假想中，MicroAero团队使用了两个神态皆备雷同但其中一个带有三角形孔的针。这些针甩掉在拓扑模子的瑕玷和较宽的通谈中。三个具有变密度交代的区域：低热和无热源区域、高热区域以及高热区域的进口侧。它们治安选用中密度、高密度和低密度交代。对于针间距的具体数据，请参阅附录B。

2.2. 压降优化

当传热收尾提高时，压降频繁会增大，而更大的压降会导致更高的系统能耗，最终恶化举座传热性能。压降是指流体流经通谈时所资历的压力诽谤，由摩擦、加快和局部吃亏等成分引起。通谈尺寸、流动平滑度和流体流速都会导致压力吃亏的加多。

2.2.1. 用于诽谤流动阻力的拓扑换取流线型通谈假想

基于原始的拓扑优化收尾，参考二维速率场对最终流谈进行了流线型优化。先前的询查报谈，适当的流线型通谈不错在保抓均匀流动分散的同期，将压诽谤15.9%–25.1%，因为去除敏锐拐角和死区灵验地扼制了流动分离和回流。如图4(c)所示，拓扑养殖的通谈结构为流线型从头假想奠定了基础，通盘里面通谈都进行了流线型处理，以捣毁敏锐拐角和滞流空腔。

2.2.2. 用于诽谤压降的针肋-拓扑集成式切片

受微通谈冷板的启发，咱们的假想选用了并联单位架构。微通谈冷板近来成为热点话题，因为它们有助于改善沿流动旅途的流体分散并诽谤局部压降。在主通谈中，沿流动标的选用了平行切片假想，以进一步加多传热名义，如图2(c)所示。在保留优化拓扑结构主通谈的同期，切片结构将液体分拨到多个平行的微通谈单位中，灵验诽谤了流动旅途，从而诽谤了压降。

2.2.3. 用于改善流动分散的三角形开孔

已有询查标明，开孔能灵验诽谤压降，因为它们为流动提供了独特的旁路旅途并松开了压降。为了进一步均衡全局压力场，在主脊的侧壁引入了倒三角形开孔，如图2(b)所示，并给出了详备的尺寸和建立。三角形神态当然地换取流体从高功率区域解放流向低功率区域，使得该假想不仅灵验，而且得当制造。

3. 瞻望品性因数

基于指定流量（1.2 lpm）下的灵验热阻和压降，使用品性因数（FoM）量化冷板的性能，筹画公式如下：

其中最大热阻和压降界说为：

FoM的最终值和模子数据如表1所示。

表1

通过拓扑优化，该假想诞生了高导热的热旅途，从而最小化了全局热阻，而针肋的集成则通过加多界面面积和引诱湍流，灵验强化了对流传热。同期，流线型通谈和三维三角形开孔的引申确保了这些热性能的进步所以最小的水力学代价达成的，保抓了均衡的热工-水力学特质，并在芯片名义达成了均匀的流动分散。冷板结构随品性因数（FoM）的演化进程如图5所示。跟着FoM从-0.8342加多到最优值0.0375，流谈变得愈加遍及化，以均衡热阻和压降。

图5：迭代假想进程与FoM的进步

图6进一步展示了这一最优假想的详备热工和水力学性能，从中不错不雅察到，在高功率和低功率加热区域，固体域和流体域之间的温差极小，标明散热均匀性清雅。此外，压力分散涌现最大压力出目下进口隔邻，同期举座压降较低，讲明了诽谤流动阻力的优化是灵验的。

图6：最优冷板假想的详备热工与水力学性能：(a) 固体基板中的温度分散（梯度）；(b) 冷却液中的温度分散（梯度）；(c) 里面压力分散。

4. 增材制造

与传统的金属增材制造（如粉末床熔融）不同，ECAM好像达成33.33 μm的最小特征尺寸。这一高离别率最大化了冷却液与板的讲和面积，并增强了三维假想解放度，从而好像在捐躯热通量的情况下最小化压降。ECAM达成的关节更动纪念如下。

特征尺寸： 组委会轨则了x-y平面内的最小特征尺寸为33.33 μm。然则，为了适当几何建模软件的截至并提供更慎重的假想余量，本询查选用了保守的100 μm最小特征尺寸，何况该假想也得当沿z轴0.03 mm 的最小限值。此外，为了提高制造可靠性并确保与增材制造拘谨的兼容性，系统地移除了低于既定100 μm 的销子等x-y尺寸特征。

悬垂特征： 从增材制造的学术角度来看，三角形通谈的假想代表了制造可行性的成效协同优化。在几何拘谨方面，该假想的侧壁与底面夹角为 75°，权臣跳跃了20°的最小悬垂角限值，确保了在化学气相千里积进程中的自复旧特质，并灵验幸免了因短少援手复旧而导致的结构倒塌或基底空洞变形。

汲取性分散的针和翅片： ECAM 工艺的使用使得好像阐述局部冷却液流动需求，汲取性地交代三维针状和翅片结构。这种汇集了 2.5D 和 3D 几何神态的非均匀特征分散，代表了增材制造所特有达成的假想解放度。这种天真性使得压降与换热名义积之间的量度得以灵验均衡。

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