技术资料
白皮书
面向散热与流阻协同优化的液冷板多目标拓扑优化研究
发布日期 2025
太阳能被视为本世纪中叶能源结构的核心，其潜力巨大，仅需数分钟照射地球的能量即可满足全球一年的需求[1-3]。目前，太阳能发电主要依赖光伏技术，但其输出易受环境因素制约，稳定性不足。温差发电技术作为一种补充方案，因其无运动部件、寿命长、维护需求低及可在微小温差下运行等优势而受到关注[4]。然而，受环境与系统损耗影响，其实际发电效率远低于理论最大值[5]，如何提升其性能成为关键问题。
温差发电模块的性能强烈依赖于冷端的散热效率。本研究聚焦于温差发电系统的冷端，旨在通过对液冷板的传热流道进行拓扑优化，以提升其散热性能，进而增强发电模块的整体效能。相较于传统的尺寸或形状优化，拓扑优化能突破初始构型的限制，在更高自由度上寻求材料的最优分布。基于热-流多物理场耦合，建立了液冷板拓扑优化模型。该模型通过引入插值函数并融合散热性能与流动功耗的双目标函数，在给定体积分数约束下，对流道构型进行优化设计。研究系统探讨了体积分数对优化结果（包括流道形态、温度场及流速分布）的影响规律。
优化结果表明（如图 1），采用不同的目标函数权重会导向显著不同的流道构型。当仅以散热性能为单一目标时，所得流道形态较为简单；而同时兼顾散热性能与流动功耗的双目标优化，则生成了分支更为丰富的流道结构。在相同热源条件下，双目标优化方案获得了更低的芯片工作温度，证实了该策略对提升散热性能的有效性。本研究通过拓扑优化显著提升了液冷板的设计自由度和潜在性能，并结合增材制造技术，为高效温差发电系统的关键部件设计提供了新思路，具有直接的工程转化前景。
