基于自然对流替代模型的仿生翅片拓扑优化方法

来源：核动力工程杂志2025年第5期北京时间：

作者：张春博, 胡宗文, 孟兆明, 董传昌, 何戈宁, 李冬慧

单位：1.哈尔滨工程大学黑龙江省核动力系统与装备重点实验室，哈尔滨，150001；2.中国核电工程有限公司，北京，100840；3.中国核动力研究设计院核能增材制造四川省重点实验室，成都，610213；

摘要：自然对流翅片散热器在核领域中应用广泛，提高翅片散热器的对流换热能力是保证反应堆安全提高能效的重要举措。为提高散热器散热能力，本研究基于反应堆腔冷却系统（RCCS）翅片散热器存在的工程条件，采用自然对流替代模型及最优准则法对传统翅片散热器进行了拓扑优化设计，并运用分形仿生的思想分析了优化结构的形状。本研究首先利用数值模拟寻找到了最优的翅片厚度，进而对翅片厚度最优的散热器结构进行了不同体积约束下的拓扑优化设计，并且通过数值模拟分析了不同体积约束下优化结构的换热性能。综合考虑体积与换热的前提下，选取了体积约束为0.135的优化结构进一步分析，拓扑优化后的散热器结构呈现叶脉状，自基底延伸的翅片逐渐变细并在翅片末端出现分形特征，并且翅片表面生长出了细小翅片以进一步提高对流换热。数值模拟分析表明，与传统散热器相比，叶脉状散热器更有利于导热与对流换热。最后利用盒计数法进一步分析了优化翅片的分形特征，验证其与植物叶脉的相似性，进而说明拓扑优化结构接近于自然界最优解。

关键词：自然对流换热, 散热器, 翅片, 拓扑优化, 分形结构

基金资助：中核集团领创科研项目；黑龙江省“优秀青年教师基础研究支持计划”；国家级大学生创新训练计划项目（202410217273）