"热流"分枝网最优散热自适应成长机理研究

无论是自然界还是工程领域，分叉都是结构进化的普遍模式，在一定的约束条件下寻求结构整体性能最优的流道最终进化成树形结构。热的传输从本质上说是一种"流"，和自然界中诸如植物根系、动物血管系统、河流流道，材料中裂缝的传播等分枝网一样是"物质流"的输送过程，散热结构设计中高导热材料如果能在使结构整体散热性能达到最优的某个方向或位置上，如"流"一样自适应于具体的热边界条件成长，则可得到类似自然界生物分枝网一样的整体功能最优。本项目通过研究自然界生物分枝网形态的形成机理，探索基于生物流体力学、计算传热学和结构优化设计理论的"热流"分枝网自适应成长规律，构筑"热流"分枝网最优散热数学模型，从而寻求散热效率高且设计灵活的散热通道分布优化设计新思路，为目前制约航空航天、精密制造和电子信息等技术发展的小空间高热流密度电子元器件的散热问题提供新的解决原理。

小空间高热流密度电子部件的高效散热问题已经成为制约航空航天、精密制造和电子信息等技术发展的重要因素。为了使电子元器件的温度保持在以元器件的可靠性为依据的最大工作温度范围内，首先需要对器件内部的导热过程实施强化。如何在结构内部布置高效的散热通道是本项目的主要研究目标。.通过研究自然界生物分枝网“物质流”和闪电“能量流”的分布机理，提出了“无论是自然界还是工程领域，分叉都是结构进化的普遍模式，在一定的约束条件下寻求结构整体性能最优的流道最终进化成树形结构”的设计理念，在此设计理念的指导下，具体研究了：（1）自然界“物质流”和“能量流”的传输机理及其在“热流”分枝网设计中的应用；（2）“热流”分枝网的最优散热数学模型及其优化算法，以及计算机实现技术；（3）典型的体-点问题散热通道分布优化设计；（4）散热结构性能测试实验台的设计搭建。研究成果有：（1）在“热流”分枝网最优设计数学模型中，采用散热弱度为设计目标时，可得到综合性能较优的散热结构，而当实际散热结构设计中要求温度梯度最小或温度标准差最小时可以分别采用对应的结构热性能指标作为目标函数。（2）根据闪电“能量流”形成机理和自然界生物分枝网“物质流”形成机理，提出了相应的“热流”分枝网的成长规则和分歧规则，建立了体-点问题散热通道自适应逐步趋优成长的设计方法，并对典型的体-点问题进行了研究。基于闪电“能量流”传输机理的方法，设计得到的散热通道分支清晰、结构简单，但对复杂问题适应性较差；基于生物分枝网“物质流”传输机理的方法，通过主通道和次通道的分层逐步趋优成长，可得到分布合理、热性能良好的散热通道分布，设计结果与其他设计方法进行了比较，表明提出的方法具有散热通道分布清晰、热性能良好及实现灵活方便的优点。（3）集成了基于ANSYS结构分析软件的“散热结构仿生拓扑优化设计”软件模块。.本项目的研究成果表明，由于热在本质上是一种“流”，与自然界的“物质流”和“能量流”一样，其最优传输流道应是树状结构。散热结构设计中使高导热材料在结构总体热性能的设计要求和具体的热边界条件驱动下，遵循类似自然界的“物质流”和“能量流”的传输规律“流动”，则可使散热结构的散热效果最佳。本项目的研究方法可进一步应用于工程及其他科学技术领域，如结构设计中材料的最优分布、基于材料裂缝传播的结构寿命预测，城市中管道的分布、公共供应网的配置等。