在2025-2026年度ASME K-16电子开导传热委员会/IEEE ITherm学生冷板策动竞赛中，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打印冷板策动，从民繁密所高校中脱颖而出。

竞赛要求参赛团队在给定的功率分散和流量条目下，策动一款液体冷板，在称心增材制造不竭的前提下，最小化热阻与压降。MicroAero团队提交的策动决策，呈现了一套齐备的分层多次序热工-水力学策动要领论。最终策动，与基线值比拟压降训斥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表露的本领文献，供专科读者快速了解其策动眉目。

1. 策动描述

为措置高热通量耗散与水力学压降之间的严峻衡量问题，本冷板架构罗致了一种勾通宏不雅热携带与微不雅水力学重构的系统性繁衍策略。该策动和会了流体能源学畛域层限度的表面旨趣与电化学增材制造（ECAM）的精度。讹诈纯铜超卓的导热悉数（k ≈ 380 W/(m·K)），构建了复杂的三维流体收罗，体现了“材料遵命功能”的策动理念。

图1：冷板概览：(a) 鸟瞰图，展示合座分支通说念布局；(b) 侧视图，凸起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

其主要模式源于勾通了热-流体物理的数学优化。在 36×29×2 mm 的策动域内，罗致固体各向同性材料刑事包袱（SIMP）要领试验了基于密度的拓扑优化。指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。

指标热分散映射。 如图1(a)所示，该算法优先最小化合座热柔度，以生成一样生物眉目的分支式热输运旅途，并把柄竞赛特定的功率分散进行了空洞化调换。

骨架结构。 这些分支骨架结构当作热输运骨干，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说念，如图1(b)所示。然而，仿真拆除标明，原始拓扑中鸠集的固体壁面导致热畛域层增厚，并在收缩区域隔邻造成流动停滞区，这需要在微不雅细化阶段加以措置。

1.2. 微不雅细化：畛域层重启与搀杂化

为克服原始拓扑的性能舍弃，在骨架结构中融入了微不雅特征增强措施，竣工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说念、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) 针肋策动；(b) 三角形性能策动；(c) 集成式切片策动。

用于训斥流动阻力的流线型通说念。 悉数里面通说念均罗致流线型策动，以摈弃机敏拐角和滞流空腔，减少流动分离并确保踏实的速率场。

用于畛域层重启和训斥压降的集成式域切片。 如图2(c)所示，鸠集的拓扑壁（销子3）被周期性地分割成不鸠集的导流叶片，以触发畛域层重启机制。这迫使热畛域层在每个前缘重新发展，保管较高的局部对流传热悉数，同期通过受集成切片架构启发的镌汰流动旅途来训斥压降。

用于均匀热流和促进湍流的变密度针肋阵列。 讹诈ECAM的高折柳率，在低速通说念内顶住了非均匀的小型针肋（销子1），如图2(a)所示。这些针肋当作湍流促进器，通过尾流涡流增强流体搀杂，并加多固-流界面面积，竣工均匀的热流分散。

用于改善流动分散和造成三维旁路收罗的倒三角形开孔。 沿主要热脊在销子2处引入了倒三角形开孔，以均衡合座压力场，如图2(b)所示。这种几何构型当然地将流线携带至相邻通说念，最小化收缩和延迟亏欠，并造成一个三维旁路收罗，Kaiyun中国大陆官方网站入口缓解压力蕴蓄。

2. 策动分析

本冷板架构的策动指标包括两个方面：增强传热性能和训斥压降。如图3所示，冷板策动侧重于拓扑优化，以探索最好的材料和通说念确立。同期，罗致针肋来增强传热性能，并罗致流线型通说念、集成式切片和三角形开孔来训斥压降，从而进步冷板的合座性能。

图3：冷板策动优化框架

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策动要领。为了获取最好的流说念确立，在冷板的二维可策动区域内试验了基于密度的拓扑优化。与流体搏斗的微通说念层被界说为策动域。为了最小化策动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示意策动域。主要不竭是将固体材料体积分数保管在 ≤ 0.6。伪密度 γ（畛域从0（固体）到1（流体））被用作策动变量。使用固体各向同性材料刑事包袱（SIMP）要领对材料属性进行插值，达西刑事包袱因子为0.05。罗致挪动渐近线法（MMA）进行迭代求解，并辅以亥姆霍兹滤波器以摈弃棋盘格图案并确保明晰的通说念畛域。拓扑优化的拆除如图4所示。

图4：拓扑优化拆除：(a) 把柄热分散生成的通说念确立，蓝色区域代表流体域，其他区域示意固体壁面；(b) 由优化几何体式导出的相应流清爽径；(c) 受这两项不雅察启发，展示了集成式策动理念，其中脱手通说念被采取性切片和重构。

2.1.2. 用于均匀热流的针肋策动

对冷板的相关标明，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。对各式针肋几何体式和尺寸进行了比较相关，以评估其热工-水力学性能。相应的拆除回顾于附录B中的表B1和图B1，拆除标明采取针(f)用于最终策动，如图2(a)所示，2026年世界杯官网因为其几何体式和空间顶住在增强传热与水力学亏欠之间提供了最成心的均衡。同期，为了获取均匀的热流，罗致了变密度的针肋顶住，在热要道区域集聚更高的针密度，同期在压力明锐流动旅途中保捏水力学透明性。

在最终策动中，MicroAero团队使用了两个体式完好意思疏浚但其中一个带有三角形孔的针。这些针摒弃在拓扑模子的错误和较宽的通说念中。三个具有变密度顶住的区域：低热和无热源区域、高热区域以及高热区域的进口侧。它们循序罗致中密度、高密度和低密度顶住。对于针间距的具体数据，请参阅附录B。

2.2. 压降优化

当传热效果提高时，压降不时会增大，而更大的压降会导致更高的系统能耗，最终恶化合座传热性能。压降是指流体流经通说念时所阅历的压力训斥，由摩擦、加快和局部亏欠等成分引起。通说念尺寸、流动平滑度和流体流速齐会导致压力亏欠的加多。

2.2.1. 用于训斥流动阻力的拓扑携带流线型通说念策动

基于原始的拓扑优化拆除，参考二维速率场对最终流说念进行了流线型优化。先前的相关报说念，稳妥的流线型通说念不错在保捏均匀流动分散的同期，将压训斥15.9%–25.1%，因为去除机敏拐角和死区灵验地禁绝了流动分离和回流。如图4(c)所示，拓扑繁衍的通说念结构为流线型重新策动奠定了基础，悉数里面通说念齐进行了流线型处理，以摈弃机敏拐角和滞流空腔。

2.2.2. 用于训斥压降的针肋-拓扑集成式切片

受微通说念冷板的启发，咱们的策动罗致了并联单位架构。微通说念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训斥局部压降。在主通说念中，沿流动标的罗致了平行切片策动，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说念的同期，切片结构将液体分拨到多个平行的微通说念单位中，灵验镌汰了流动旅途，从而训斥了压降。

2.2.3. 用于改善流动分散的三角形开孔

已有相关标明，开孔能灵验训斥压降，因为它们为流动提供了相当的旁路旅途并削弱了压降。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，并给出了珍惜的尺寸和确立。三角形骸式当然地携带流体从高功率区域解放流向低功率区域，使得该策动不仅灵验，而且妥贴制造。

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，计较公式如下：

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，该策动开发了高导热的热旅途，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勾引湍流，灵验强化了对流传热。同期，流线型通说念和三维三角形开孔的试验确保了这些热性能的进步所以最小的水力学代价竣工的，保捏了均衡的热工-水力学特质，并在芯片名义竣工了均匀的流动分散。冷板结构随品性因数（FoM）的演化经由如图5所示。跟着FoM从-0.8342加多到最优值0.0375，流说念变得愈加空洞化，以均衡热阻和压降。

图5：迭代策动经由与FoM的进步

图6进一步展示了这一最优策动的珍惜热工和水力学性能，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，标明散热均匀性浅显。此外，压力分散领略最大压力出咫尺进口隔邻，同期合座压降较低，剖判了训斥流动阻力的优化是灵验的。

图6：最优冷板策动的珍惜热工与水力学性能：(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大略竣工33.33 μm的最小特征尺寸。这一高折柳率最大化了冷却液与板的搏斗面积，并增强了三维策动解放度，从而大略在糟跶热通量的情况下最小化压降。ECAM竣工的要道调动回顾如下。

特征尺寸： 组委会法例了x-y平面内的最小特征尺寸为33.33 μm。然而，为了稳妥几何建模软件的舍弃并提供更慎重的策动余量，本相关罗致了保守的100 μm最小特征尺寸，况兼该策动也稳妥沿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不竭的兼容性，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，三角形通说念的策动代表了制造可行性的顺利协同优化。在几何不竭方面，该策动的侧壁与底面夹角为 75°，显耀突出了20°的最小悬垂角限值，确保了在化学气相千里积经由中的自撑捏特质，并灵验幸免了因短缺赞成撑捏而导致的结构倒塌或基底轮廓变形。

2026世界杯中国线上平台

采取性分散的针和翅片： ECAM 工艺的使用使得大略把柄局部冷却液流动需求，采取性地顶住三维针状和翅片结构。这种勾通了 2.5D 和 3D 几何体式的非均匀特征分散，代表了增材制造所独有竣工的策动解放度。这种无邪性使得压降与换热名义积之间的衡量得以灵验均衡。

l 谷专栏 l2026年世界杯官网

• 2026年世界杯官网
• 铜梁
• 蒂亚
• 横梁
• 高热