在当今高性能计算、5G通信和物联网技术飞速发展的时代，电子设备的功率密度和热流密度不断攀升，散热问题已成为制约技术进步的瓶颈。来自普渡大学机械工程学院的研究团队在国际期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》上发表了一项创新性研究，提出了一种全新的冷板拓扑优化设计方法，为解决这一难题提供了新思路。
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研究背景与挑战
随着人工智能、大数据分析和5G网络的普及，电子设备的功耗和发热量急剧增加。传统散热方案如空气冷却已难以满足需求，液体冷却技术因其更高的热容量和导热系数成为更优选择。特别是微通道冷板技术，自Tuckerman和Pease开创以来，一直是电子散热领域的研究热点。
然而，现有冷板设计面临两大核心挑战：
1. 如何在有限空间内实现更高的散热效率
2. 如何平衡散热性能与液压阻力之间的矛盾
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创新研究方法
研究团队开发了一种名为”2.5D拓扑优化框架”的创新方法，专门针对双层流道结构的冷板设计。这项技术的突破性体现在：
1. 同质化方法：采用物理微结构（方形针状鳍片）定义局部设计变量，相比传统惩罚方法具有更高精度和更低计算成本
2. 双层耦合优化：同时优化两个堆叠的流动层，考虑层间局部质量和能量交换，在保持2D模拟计算效率的同时实现3D流动几何设计
3. 多目标优化：通过权衡总压降和热阻两个相互制约的目标，获得最优设计解集
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技术亮点与应用价值
研究团队通过一系列数值模拟和验证实验证实，该方法设计的冷板具有以下优势：
1. 性能提升：优化后的设计能有效引导流体从低热负荷区域流向高热负荷区域，显著提升散热效率
2. 制造可行性：通过后处理技术确保设计可被3D打印制造，最小针状鳍片尺寸控制在0.245mm
3. 适应性强：可针对不同热负荷分布和性能需求（如更侧重散热或更低液压阻力）进行定制化设计
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行业影响与未来展望
这项技术对数据中心服务器、高性能计算设备、5G基站等高功率密度电子设备的散热方案具有重要价值。研究团队表示，未来将进一步优化模型精度，考虑更复杂的层间传热机制，并将该方法扩展到更多层流道设计和两相流散热系统。
随着电子设备功率密度的持续攀升，这种创新的冷板设计方法有望成为下一代高效散热解决方案的核心技术，为电子设备的性能提升和可靠运行提供关键支持。
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参考文献
Abhijeet Banthiya, Bruno Navaresse, Liang Pan,et al.
Simultaneous topology optimization of two hydraulically interconnected porous flow layers in cold plates[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2025.
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