新型子空间框架推动3D散热器优化技术突破，降低计算成本与提高热管理效率

2025-09-07 13:53:28 3D散热器优化技术,多尺度建模框架,热管理与冷却系统设计

这个研究介绍了一种全新的子空间框架，能够显著提高3D散热器的优化效率。通过采用显式的多尺度建模方法，避免了传统方法的网格化和均质化假设，使得在减少计算成本的同时，仍能保持精确的热流和流体交互模拟。该框架在内存使用上减少了90%，计算时间缩短了70%，并能够处理包含400个单元格的大规模模型，尤其适用于微处理器的散热设计。通过贝叶斯优化，能够在复杂的热负荷条件下，实现显著的散热性能提升，达到传统方法难以实现的效果。此技术为先进的热管理系统设计提供了新的突破，尤其适用于高功率电子设备的散热方案优化。

帝国理工学院的研究人员与伦敦ToffeeX公司的工程师合作，在《Springer Nature》上发布了一种新的建模框架，可以在以前被认为不切实际的规模上优化三维散热器。这一方法放弃了均质化和基于网格的方法，而采用显式的多尺度表示，允许在大规模的微结构中准确地建模流体和热量的相互作用，同时显著减少了计算需求。

研究表明，该框架相比于显式的单尺度模拟，可以将内存使用减少多达90%，并将计算时间缩短70%。与高保真度数值模型的验证结果表明，流体动量和热传输的误差均低于10%。通过处理多达400个单元格的领域，该方法将优化扩展到现有方法难以覆盖的区域。这些改进对于冷却微处理器尤为重要，因为不均匀的热分布和严格的压力约束决定了设计性能。

帝国理工的建模策略结合了多尺度动量求解器与迭代的温度通量投影方案。该耦合方法避免了均质化近似，并保留了在固体-流体界面处的精度，而密度基础的拓扑优化通常会失败。验证包括异质单元格排列，结果表明，求解器在运行速度上比单尺度模型快2.5倍，同时保持了相同的精度。与传统的单尺度模型不同，单尺度模型在问题规模增长时效率下降，而多尺度求解器通过将计算分布到单元格中，能够实现高效的并行处理。在一项演示中，解决了一个包含1600个单元格的销针阵列，具有5000万个自由度，仅用了90分钟以上的时间，且使用了127个处理器，捕捉了复杂的流动和温度模式，比传统方法的成本低得多。

贝叶斯优化被集成到设计销针微结构中，处理不同的热流分布。每次优化使用了100多个处理器，但完成时间不足80小时，这是单尺度模拟无法在相同规模下实现的时间。在基准测试中，将均匀热流的销针布局与优化后的配置进行了比较。在均匀热流条件下，优化将热传递提高了75%，同时保持了压力降的限制。在局部热流条件下，代表芯片热点，性能提升达到了558%。这些结果表明，针对真实不均匀热负荷的设计，能够提取比传统均匀布局更多的热量。

散热器设计长期受到精度与计算可行性之间权衡的限制。显式的计算流体动力学方法提供了精度，但仅限于小型或简化的几何形状。水平集方法能够提供更清晰的界面定义，但对于初始条件和收敛问题敏感。基于密度的拓扑优化方法能够进行更广泛的搜索，但由于边界模糊，且需要额外的处理才能生成可制造的设计。通过保留显式表示并将计算分布到多个尺度，新的框架克服了这些限制，并能够生成详细的、可制造的解决方案。

性能测试突出了可扩展性作为一个关键优点。虽然单尺度求解器由于网格化开销和求解器瓶颈在领域规模增大时效率下降，但多尺度方法通过将领域分解为较小的子问题，能够保持速度，并进行并行求解。这一能力对于优化至关重要，因为更多的单元格提供了对局部热流和流体流动的更精细控制。框架的验证结果确认，流体和热量求解器在精度上与单尺度结果的误差保持在10%以内，使其在设计应用中是可靠的。

尽管如此，仍然存在一些局限性。在均匀热流的情况下，由于贝叶斯框架中的高斯过程回归低估了接近可行性边界的解，这导致优化设计在压力降限制上留下了未使用的余量。这种保守性限制了在约束附近的性能。作者建议改进约束处理技术或使用约束获取函数来解决这一问题。他们还指出，设计变量的粗插值可能减少了优化器在不均匀热流场景下微调局部流动的能力，从而在出口处留下了未被充分利用的冷却能力。

散热器在计算和功率电子设备中发挥着至关重要的作用，确保设备的可靠性并通过高效的热管理降低能源消耗。新框架表明，曾经计算成本过高的显式多尺度建模方法，现在可以应用于包含数百个单元格的设计。通过将微观结构的细节与宏观行为结合，它使得在实际工作条件下（包括现代处理器中常见的局部热点）优化布局成为可能。