三周期极小曲面（TPMS）结构在热管理领域中的应用日益广泛。然而，传统的施瓦兹原始型（SP）几何结构允许中心流体旁通，限制了对流混合。本研究提出了一种新颖的三圆形填充施瓦兹原始型（3CI-SP）架构，该架构通过在标准SP（Std-SP）设计中引入三个填充圆来改变内部流动物理学。研究人员采用稳态共轭传热（CHT）模型和计算流体动力学（CFD）模拟，评估了3CI-SP构型的热-水力性能。新型的3CI-SP（0.2 mm填充圆壁厚）首先与Std-SP进行了对比。随后，通过比较填充圆壁厚在0.2至0.8 mm范围内的3CI-SP模型进行了进一步评估。3CI-SP构型重新分配了内部动量，导致喷射速度达到25.1 m/s（是Std-SP的5.5倍）。在水力方面，该构型将入口压力降低了64%，总压降降低了50.6%，同时产生局部负压（-8.9 Pa），从而允许被动的、局部的低压卷吸流体。在热学方面，整体、最大加热器和中核温度分别降低了9.4 K、6.2 K和23.7 K。综合这些改进，冷却效率提高了59.0%，综合场协同因子为0.37，表明动量与热能传递的匹配度高于Std-SP。然而，进一步增加壁厚会导致非线性的热行为和水力阻塞。因此，3CI-SP在不引入额外阻力的情况下增强了近壁面的动量混合，使其适用于紧凑型冷板和高热通量冷却应用。
近年来，三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surfaces, TPMS）因其独特的数学定义和多孔结构，在热管理和换热器领域引起了广泛关注。TPMS具有单一连续且不相交的表面，能将空间均匀划分为两个相互渗透的区域，在几何对称的网络中创造出极高的表面积与体积比。其连续的三维拓扑结构区别于传统泡沫和随机取向的多孔材料，使其在严苛工况下具备更优的热力学与水力性能。在众多TPMS中，施瓦兹原始型（Schwarz Primitive, SP）格栅因其几何对称性和简单的拓扑（单元胞）结构，成为最适合底部加热源的设计之一。SP格栅具有已知的高效有效导热系数和低压力降特性，是构建高效紧凑型换热器（如微电子冷却冷板）的有力候选者。此外，SP结构几何简单，可通过增材制造技术可靠、经济地进行制造，为可扩展的热管理解决方案提供了高潜力。
然而，标准SP（Std-SP）结构在底部加热应用中存在固有的热性能局限。其几何过于简单的流体组织方式导致中心存在直通流通道，而侧壁附近则存在大范围的滞留区。这种结构造成了流体混合薄弱、温度不均以及热交换表面与流出单元之间的温差，最终限制了换热效率。研究表明，提升TPMS拓扑结构的换热性能强烈依赖于其内部孔隙的几何排列与复杂性，而原始TPMS中孔隙的规律性和线性度显著限制了其有效传热的能力。因此，有必要通过修改SP内部结构来增加几何复杂性，以促进更强的流体混合。
为解决上述问题，研究人员提出了一种新型的三圆形填充施瓦兹原始型（3CI-SP）架构。该设计通过在单元胞内战略性地放置三个圆形填充结构，在不改变SP几何本质的前提下，重新组织内部流体路径。这种方法旨在增强动量传输、抑制中心流旁通、加强近壁剪切效应，并缓解侧流滞留，从而降低传统SP冷却设计中与压降相关的惩罚。研究采用了稳态共轭传热（Conjugate Heat Transfer, CHT）模型与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟相结合的方法，对3CI-SP与标准SP的热-水力性能进行了系统性的对比分析。数值模拟使用商业软件ANSYS Fluent进行，采用了基于压力的求解器、SIMPLE算法以及剪切应力传输k-ω（SST k-ω）湍流模型，以准确模拟近壁面的流动分离和二次涡生成。研究工作在恒定热通量（120,000 W·m
-2 ）的边界条件下进行，工作流体为水，固体基体材料为铜，以隔离几何效应。
研究结果表明，3CI-SP架构通过其独特的内部结构，从根本上改变了流体在多孔介质内的动量传输机制。在流动特性方面，圆形填充物破坏了标准SP中平滑的轴向流动，诱发了周期性的收缩-膨胀循环，形成了“脉动式”的流动模式。这导致3CI-SP中的最大轴向速度达到25.1 m/s，是标准SP（约4.5 m/s）的5.5倍。这种高速射流显著增强了近壁面的剪切力和边界层扰动，防止了热边界层的持续增厚。在压力分布方面，3CI-SP表现出显著的水力优势。其入口静压较标准SP降低了64%，总压降减少了50.6%。更关键的是，在结构内部产生了局部负压区（低至-8.9 Pa），这种被动的低压卷吸效应能将流体引向受热表面，而无需额外的泵功。这种独特的压力分布管理将流体的大部分压力能有效地转换为动能，实现了更高效的能量利用。
热性能分析清晰地展示了流动重组带来的收益。由于持续的边界层扰动和近壁面流体的高速冲刷，3CI-SP有效抑制了热积累。在加热器界面处，最高温度降低了6.2 K；在结构中部（归一化轴向位置L
p /L
t = 0.80），温度降低了23.7 K，有效防止了开放TPMS结构中常见的热饱和现象。整体平均温度降低了约9.4 K。值得注意的是，3CI-SP的出口流体温度略高于标准SP，这表明其从热源吸收并带走的总热量更多，换热效率更高。从系统层面看，经过优化的3CI-SP构型（壁厚0.2 mm）相比标准SP，其冷却效率提升了59.0%，场协同因子（cosθ
m ）提高至0.37，这从物理机制上证实了速度场与温度梯度场对齐程度的改善，是强化对流换热的直接原因。
参数化研究还揭示了设计对填充圆壁厚的高度敏感性。当壁厚超过0.4 mm时，结构内部流道变得过于狭窄，引发“几何阻塞”，导致压力损失急剧增加，冷却效率骤降超过90%，同时热性能与流动性能的协同作用减弱。因此，0.2 mm的薄壁填充圆设计被确定为最佳选择，它在提升热性能与保持低水力阻力之间取得了理想的平衡。
综合而言，本研究通过创新的几何流道设计，成功地将TPMS结构中的热量传递强化与水力惩罚进行了解耦。3CI-SP架构作为一种被动的、可扩展的设计，展示了通过精密的内部流体再组织来打破传统热-水力性能权衡关系的潜力，为高功率电子设备和能源转换系统等高热流密度场景提供了高性能且节能的热管理解决方案。该设计尤其适用于泵送功率受限的应用，如便携式电子产品、航空航天热管理设备和远程液冷装置。
研究结论部分指出：本研究开发并验证了一种新型三圆形填充3CI-SP架构，以解决标准SP拓扑结构固有的对流限制。主要发现和量化结果总结如下：3CI-SP通过诱发周期性的加速-减速循环，从根本上重构了内部动量传输。在加热器界面，该机制产生了显著的射流行为，峰值速度达到25.1 m/s，与标准SP观测到的4.5 m/s相比，增加了5.5倍。从水力角度看，所提出的架构改善了流体导入并抑制了滞留效应。3CI-SP实现了入口静压降低64%（30.5 Pa vs 84.2 Pa）和总压降降低50.6%（50.5 Pa vs 102.4 Pa）。达到-8.9 Pa的局部负压表明存在被动的局部低压卷吸机制，该机制在不增加泵送损失的情况下促进了流体向受热表面的卷吸。热学上，3CI-SP提供了增强的温度调控和空间均匀性。整体温度降低约9.4 K，同时加热器界面峰值温度被抑制了6.2 K。在中部核心区域（L
p /L
t = 0.80），温度降低了23.7 K，有效防止了开放TPMS结构中常见的热饱和现象。在系统层面，经过优化的壁厚为0.2 mm的3CI-SP构型，其冷却效率相对于标准SP提升了59.0%。场协同因子增加至0.37，证实了速度矢量与温度梯度对齐度的改善。参数分析进一步表明，性能对填充壁厚高度敏感；当壁厚超过0.4 mm时，会引发几何阻塞，导致压力惩罚和冷却效率降低超过90%。因此，3CI-SP架构证明了在TPMS结构内进行针对性的几何流动控制，可以将传热强化与水力惩罚解耦。这种被动的、可扩展的设计为高功率电子和能源转换系统中的高性能热管理提供了一条有前景的途径。
打赏
