热工装备设计与优化
一、热工装备智能优化设计方法与平台
换热器、散热器等热工装备广泛应用于能源动力、电子散热与油气开采等领域，其性能直接决定系统的能效水平与运行安全。传统设计流程中，结构选型、参数取值与性能校核相互割裂，设计变量与优化目标之间往往呈高度非线性甚至非凸关系，长期依赖经验试凑，难以在有限研发周期内获得全局最优方案。针对这一难题，课题组建立了“结构参数化建模—自动网格划分—数值求解—后处理—智能寻优”一体化的热工装备智能优化平台，将遗传算法（GA）、贝叶斯优化（BO）等智能算法与商用CFD/CAE软件进行二次开发耦合，使优化器能够在无需人工干预的条件下自动迭代搜索设计空间，实现从几何到性能的全自动寻优。
面向高功率密度电子器件（热流密度约300 W/cm²）的散热需求，以正弦波纹翅片交叉切割散热器为对象，采用贝叶斯优化算法自动调整翅片周期、振幅和相移角三个结构参数，以兼顾换热能力与压降代价的综合热性能因子（TPF）为目标函数。优化后散热器的TPF提升17.6%，压力梯度与速度的协同角减小约6.2°；高斯过程代理模型的均方根误差在前若干次迭代中迅速下降并趋于稳定，39次迭代即收敛到最优结构，计算成本显著低于常用进化算法，为大规模仿真场景下的最优设计提供了高效工具。
图：正弦波纹翅片交叉切割散热器结构（左）与贝叶斯优化-CFD自动化流程（右）
二、液冷散热装备多目标协同优化设计
动力电池与储能系统在充放电过程中产生大量热量，温度过高或温度分布不均会加速容量衰减、甚至诱发热失控，液冷板是目前最有效的散热手段之一。如何在提高冷却效率的同时降低泵送能耗，是液冷系统设计的核心矛盾。课题组以蛇形流道水冷板为对象，建立了“几何—网格—求解—优化”一体化的自动优化平台：基于SpaceClaim实现几何的自动参数化建模，基于Fluent-Meshing实现自动网格划分，基于Fluent-Solution实现自动求解，再通过Python开发平台把整个CFD求解流程封装为黑盒函数，与优化算法闭环耦合，实现设计变量与目标值之间的自动映射。
采用多目标贝叶斯优化算法，以电池模组最高温度Tmax和冷板泵送功率PP为优化目标，对流道宽度、深度和转弯半径进行寻优。灵敏度分析表明，流道深度对Tmax影响显著，而流道宽度与转弯半径主要影响PP；在此基础上构建Pareto前沿，并采用K-means聚类从前沿上提取4个性能取向不同的代表性设计方案，为工程选型提供多套可选解。与初始设计相比，最优方案的模组最高温度略有下降，而泵送功率降低71%，实现了热可靠性与运行能耗的协同改善。为评价电芯内部的温度均匀性，研究引入了热流密度加权平均温度指标，其变化趋势与Tmax一致，表明降低Tmax有利于获得更均匀的电芯温度分布，从而简化了热管理与能耗之间的权衡过程。
图：电池模组最高温度与冷板泵送功率的Pareto前沿及代表性设计方案
三、平板微热管气液两相输运机理与性能调控
平板微热管依靠内部气液相变与两相循环流动实现高效传热，具有等效导热系数高、体积小、质量轻等优点，是狭小空间热管理的理想方案。针对铜泡沫与螺旋编织网复合吸液芯平板微热管，课题组建立了三维瞬态数值模型，采用流体体积法（VOF）模拟热管内部的气液相变与循环流动，并在复合吸液芯域中引入多孔介质非饱和流动效应，显著提高了高热流密度下数值模拟的精度。仿真结果与实验数据吻合良好，最大相对不确定度约1.03%。
基于该模型，系统研究了不同热流密度、倾角和散热条件下平板微热管的传热性能。结果表明，不同工况下热管壁温均在30 s以内达到稳态，热响应迅速；与水平放置相比，倾角为30°时总热阻降低约16%，说明重力可有效加速热管内部的气液循环、强化两相传热；最佳充液率约为150%，且在逆重力条件下仍保持良好的传热能力，具有优异的抗重力特性。上述结果为平板微热管的工作环境选择、安装方式与冷却条件设计提供了参考依据，也为微热管在高热流密度电子器件热管理中的应用奠定了基础。
图：平板微热管内温度场与VOF方法模拟得到的气液相分布
四、油气资源井下电加热装备设计
深井油页岩原位开采需要将大量氮气加热至高温后注入井下，对加热装备的功率密度、耐压能力和可靠性提出了苛刻要求。由于缺乏相应的设计标准，课题组首先明确了井下管式电加热器从换热器选型、整体布局设计，到加热器热工设计与优化、结构强度设计与校核的完整设计流程和规范，并绘制了各部件零件图及三维装配图，为加热器样机开发提供了参考和依据。
在此基础上开发了一款井下流体电加热器：长度10 m以内、直径小于300 mm，可在10 MPa压力下将不小于5 Nm³/min流量的氮气由室温加热至不低于650 ℃。通过开发热力设计程序确定了加热元件尺寸，并对壳体、支撑板、螺纹连接、法兰等结构进行强度设计与校核，确定了各部分材料与结构尺寸。进而建立数值计算模型，分析了加热管内径、加热管长等结构参数以及流量、加热功率等运行参数对加热器热力性能的影响规律。现场测试结果表明，加热管内对流换热系数大于300 W/(m²·K)，远高于传导加热和铠装电加热器；在未采用增强肋等复杂结构的条件下，被加热流体的出口温度可达约900 ℃，综合指标比带增强肋的铠装电加热器高40%，且加热功率与流量可方便调节，能够满足不同的井下加热要求。
图：井下加热器设计与现场测试
五、水下储能电池舱多物理场耦合热管理
面向水下储能系统，课题组开展了电-热耦合与液冷系统的建模、仿真与验证工作。基于NTGK电-热耦合模型建立电芯产热机理模型，通过放电曲线拟合确定模型参数，并对单电芯在0.5C–1C放电、0.5P–1P充放电以及5 ℃–35 ℃环境温度等多工况下的温度演变进行仿真。结果表明，1C放电时电芯平均温升约20 K，明显高于0.5C工况的约4 K；恒功率充电的产热量低于放电；在绝热边界条件下，电芯温度呈中心高、上下表面低的对称梯度分布，说明当外部散热路径被阻断时产热强度成为温升的主导因素，合理构建外部换热路径、降低热阻是抑制温升与热失控风险的关键。
在模组与电池舱层级，建立了包含固体电池域、空气域、管道流体域和海水域的多物理场耦合三维热仿真模型，完成网格无关性验证（电池舱总网格数约277万），并经实验验证——1P放电2500 s以内仿真与实验偏差小于1 K。研究揭示了冷却介质流向、进口流速与温度、海水温度、充放电周期及泵压等因素对模组温升与温度一致性的影响规律：冷板支路流阻在7300～16400 Pa范围内，并联5个模组的流量分配不均、靠近水箱的支路流量可达远离水箱支路的3倍左右；延长静置时间可降低模组最高温度并改善模组间的温度均匀性。据此优化了循环管路布局与泵压配置，优化后模组间最大温差由1.4 K降至0.5 K，电池温度一致性显著改善，液冷系统能效比大于4、模组内最大温差约2 ℃，为水下储能热管理系统的工程设计提供了直接依据。
图：单模组液冷板及电池舱内温度分布