专栏丨DfAM（增材设计）底层通用技术之微通道散热设计
3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色,3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。
本期谷.专栏文章，主要基于Ansys软件对仿生设计微通道散热器与变密度拓扑优化微通道的性能进行相应的分析。微通道散热设计是面向增材制造技术（DfAM）而进行散热器、热交换器设计时的底层通用技术之一。
图1 微通道换热器增材制造应用
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微通道换热器，指的是水力直径在10-1000μm的换热器。按外形尺寸可分为：微型微通道换热器和大尺度微通道换热器。该技术所采用的结构紧凑、换热效率高、质量轻、运行安全可靠，因此微通道换热器技术近些年来越来越受到关注，在微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却, 以及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中有重要的应用前景。
与普通换热器相比, 微型换热器的主要特点在于单位体积内的换热面积很大。相应地, 其单位体积传热系数高达几十到几百MW/( m 3 K) , 比普通换热器要高1～2个数量级。
仿生设计微通道散热对比分析
仿生设计借鉴自然界中具有优良特性的网络拓扑，是在进行微通道设计时采用的主流方法之一，目的是提升高热流密度芯片的散热能力。
本文通过仿真计算对微通道结构进行优化设计和对比分析，对比相同仿真参数下微通道温度分布的不同。
图2 仿真参数设置
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根据散热器的工作换热面积不小于热源器件换热面积的原则，散热器整体尺寸可以任意调整，为了方便对比，选取相同尺寸25mm*25mm*0.8mm。
图3 仿蜘蛛网微通道
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图4 仿旋涡微通道
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图5 雪花微通道
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图6 仿真结果对比
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与传统的微通道散热器相比较，上述设计首先通过均衡的微通道截面面积设计保证了工作流体的整体稳定流动模式。但是通道的截面形状和分合设计多次变化。
其次设计了特殊的连通通道组，以方便设计较小的横截面面积和连通通道长，保证流体在通道内部快速流动，及时输运热量，实现短程均匀散热，使其内部的工作流体散热成为散热器散热的核心过程，同时也避免了与之连接的纵向微通道内工作流体单一流向产生沿流动方向温度梯度的问题。
一方面调整沿纵向分通道不同位置的连接通道横截面面积大小，补偿了进入连通通道工作流体的流速损失，使各连通通道内工作流体单位时间的流量相当，从而保证不同连通通道散热能力的均衡。
变密度拓扑优化微通道设计
拓扑优化是根据桁架理论的提出而开始研究的，在国内外学者的共同努力下，桁架理论不断完善，离散结构拓扑优化也相继得到了极大的丰富。
散热拓扑优化就是从结构拓扑优化的研究成果基础上发展而生一种拓扑优化设计方法。基于密度的拓扑优化方法，设计变量通过有限元网格离散，每个单元分配一个唯一的设计变量。
图7 两种设计域进行拓扑优化
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图8压力下降50Pa的速度和温度云图
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图9压力下降10Pa的速度和温度云图
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图10压力下降200Pa的速度和温度云图
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图11三种工况下最终的拓扑优化结果
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上例主要是基于不同的压降进行不同工况下的散热拓扑优化，其中散热器的传热性能可以通过其热阻来测量。
由于拓扑优化的复杂性，只有少量的问题可以用解析的方法人工进行求解。为了满足工程中的复杂要求，需要借助计算机用数值方法求解拓扑优化问题。
因此，解决拓扑优化的挑战首先在于如何在计算机中用离散模型描述拓扑；其次是如何建立一个可供计算机求解的优化模型。随着计算机运算速度和存储能力的提高以及有限元等分析工具的成熟，采用计算机求解拓扑优化问题逐渐会发展成求解散热问题的热门领域。
李菁
安世亚太流体咨询专家，航天工程专业，硕士学位，4年数值仿真经验，涉及高超声速、多相流、颗粒物、燃烧、传热分析等多个领域，目前主要参与多个增材设备流体仿真分析项目，积累了大量3D打印设备流体优化经验。
l 文章来源：安世亚太
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