Topology optimization, additive manufacturing and thermohydraulic testing of heat sinks

材料科学 散热片 传热 机械工程 热流密度 热阻 热导率 热力学 计算机科学 机械 物理 复合材料 工程类
作者
Sicheng Sun,Behzad Rankouhi,Dan J. Thoma,M. J. Cheadle,Gunnar D. Maples,Mark Anderson,Gregory Nellis,Xiaoping Qian
出处
期刊:International Journal of Heat and Mass Transfer [Elsevier BV]
卷期号:224: 125281-125281 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.125281
摘要

This paper presents a set of high-performing heat sinks that exhibit twice the thermohydraulic performance in terms of conductance compared to conventional rectangular fin heat sinks. The heat sinks presented here are designed through three-dimensional topology optimization (TO), manufactured using additive manufacturing (AM), and their performance is validated through experimental testing. The heat sink design is governed by steady-state Navier-Stokes equations and the energy equation. The objective is to minimize the average temperature of the heat source surface with a constant heat flux. Our design process incorporates two constraints: the pressure drop constraint and the project undercut perimeter (PUP) based overhang angle constraint. The incorporation of the overhang angle constraint ensures that the optimized heat sink design is self-supported and amenable to additive manufacturing without the need for additional support structures. Post-optimization CFD investigations revealed that the optimized heat sink offers improved thermal performance, attributed to 2 kinds of three-dimensional convection effects, thermal boundary layer re-initialization, and efficient mixing. The optimized heat sink designs are manufactured using laser-powder bed fusion process, an additive manufacturing technique, and their superior performance relative to a conventional rectangular heat sink is validated through experimental measurements. The experimental tests are in good agreement with CFD simulations, confirming a remarkable 100% increase in conductance for the TO designs compared to a conventional heat sink.
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