来源 | International Communications in Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.128452

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背景介绍

5G 通信普及和芯片微型化使电子设备热流密度提升数个数量级，两相散热技术因相变过程不稳定性，会降低芯片制造装配效率和设备可靠性；而 3D 打印技术的发展为复杂三周期最小曲面（TPMS）多孔结构的制备提供了可能，成为提升散热片传热性能的重要技术支撑。

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成果掠影

近日，上海交通大学陈江平、俞彬彬团队系统分析了Fischer-Koch、螺旋翅片、菱形翅片、Split-P四种 TPMS 结构与传统针形翅片的热工水力性能;发现Fischer-Koch传热能力达40 W/K为最高，菱形翅片综合性能最优，Split-P流阻最高不适用于高流量场景；团队创新设计菱形翅片-Fischer-Koch-螺旋翅片混合 TPMS 结构，整合各结构优势实现压降降低 15%，在 15 kPa 流阻约束下最大传热能力达37.6 W/K；同时首次将粒子群优化（PSO） 应用于 螺旋翅片和菱形翅片结构的壁厚梯度场优化，使二者平均壁温分别降低2.8 K和3.6 K，综合性能提升4.52%和4.74%，该研究为先进散热片设计提供了重要技术指导。研究成果以“Comprehensive performance evaluation and advanced design optimization of triply periodic minimal surface (TPMS) heat sinks” 为题，发表于《International Communications in Heat and Mass Transfer》期刊。

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图文导读

图1.示意图：（a）五种散热结构;（b）混合式TPMS结构;（c）仿真模型。

图2.示意图：（a）流固耦合网格;（b）与[60]相比的实验和模拟误差校准;（c）网格独立性研究

图3. TPMS散热结构的粒子群优化算法（PSO）工作流程。

图4.（a）入口速度为0.2 m/s时散热结构内的速度流线图;（b）等值线图的横截面位置。

图5.（a）五种结构在不同工况下的流动阻力;（b）-（f）在进口速度为0.2 m/s时，沿着主流方向从进口到出口的压力变化：（b）Fischer-Koch;（c）螺旋翅片;（d）菱形翅片;（e）Split-P;（f）翅片结构。

图6.在不同入口速度下横截面压力变化的比较：（a）陀螺结构;（b）金刚石结构。

图7.五个结构在入口速度为（a）0.2 m/s;（b）1.0 m/s时的压力等值线。

图8.五种结构在所有工况下的性能：（a）单位温差传热量;（b）对流传热系数;（c）热表面平均温度;（d）热表面最高温度;（e）热表面温度均匀性。

图9.五种结构在入口速度为（a）0.2 m/s;（b）1.0 m/s时的温度等值线。

图10.五个结构在入口速度为（a）0.2 m/s;（b）1.0 m/s时的湍流动能等值线。

图11.五种结构在所有工作条件下的性能：（a）努塞尔数;（b）摩擦系数;（c）性能评估标准（PEC），比较TPMS和鳍片结构。

图12.参数拟合误差分析：（a）Fischer-Koch;（b）螺旋翅片;（c）菱形翅片;（d）Split-P结构

图13.混合式TPMS散热结构：（a）速度流线图;（b）入口速度为0.2 m/s时的温度等值线图。

图14.在0.2 m/s入口速度下，混合TPMS和单TPMS散热结构沿主流方向的沿着比较：（a）压力变化;（b）温度变化。

图15.以压力损失为代价的混合型TPMS与单一型TPMS散热能力比较：（a）单位温差的传热能力;（b）温度均匀性。

图16.在0.5 m/s入口速度下的PSO优化过程和性能比较：（a）陀螺迭代过程;（b）菱形迭代过程;（c）优化的陀螺尺寸;（d）优化的菱形尺寸;（e）陀螺性能比较;（f）菱形性能比较。

图17.混合TPMS散热器与基于PSO的壁厚优化螺旋翅片和菱形翅片设计在不同雷诺数下的PEC比较.