与传统设计和其他蜂窝结构相比，三周期最小表面 (TPMS) 正迅速成为散热器和热交换器的设计元素。 隐式定义的几何形状增加了传热表面积，同时保持平滑的流动路径，能够通过流动曲折进一步增强。
各种形式的三周期最小表面（TPMS）结构在结构刚度、能量吸收、膜蒸馏和生物支架方面显示出应用潜力。 市场上已成功地将其应用于紧凑型热交换器和散热器的设计。
白皮书
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135943112301325X#f0015
可以灵活调节的结构
TPMS 结构相对于其他蜂窝结构的优势在于设计自由度，其胞元类型、孔隙率和功能分级等因素可以通过 TPMS 结构等隐式定义进行灵活的调节。
TPMS 结构与其他晶格结构的不同之处在于它是三维壳基结构，TPMS 是周期性的、连续的表面，将给定的空间分成独立但相互渗透的子空间。常见的 TPMS 结构类型包括 (Schoen) Gyroid、(Schwarz) Primitive 和 (Schwarz) Diamond。
图 1. 建筑蜂窝材料的应用：(A) 3D打印的基于支柱的蜂窝散热器；(B) 基于 TPMS 的紧凑型热交换器设计；(C) 用于化学过程的基于 TPMS 的膜；(D) 在涡轮叶片内实施的质量和应力优化 TPMS 结构模型
目前，针对 TPMS 结构设计参数与性能之间具体关系的研究聚焦在描述如何通过优化技术使用某些设计参数来帮助进一步改善传热和减少压力损失。
帮助了解 TPMS 结构的不同流量规模如何有助于其优化非常重要。《Design and modelling of porous gyroid heatsinks: Influences of cell size, porosity and material variation》讨论了支持模拟结果的数值模型，包括对 TPMS 数学和设计公式、材料选择、网格敏感性研究以及所采取的验证和确认方法。
这项研究工作试图通过对作为湍流内散热器的TPMS陀螺仪片的不同孔尺寸和孔隙率的样品进行性能测试比较，其中根据样品比容和润湿表面积对热性能和水力性能进行标准化。研究发现，对流性能与细胞尺寸无关，但受孔隙率影响很大。这些结果进一步与参考翅片散热器进行比较。最后与参考几何形状相比，测试的性能指标例如热阻, 努塞尔数和损失增强分别提高了 53%、300% 和 42%。这项工作的结果可能有助于进一步理解设计参数和传热增强之间的关系，并有助于为这些结构进行有意义的性能优化铺平道路。
胞元尺寸变化样本。(A)、(B) 和 (C) 显示 C1、C2 和 C3 样本。 胞元尺寸分别为 20 毫米、10 毫米和 6.67 毫米。(D) 和 (E) 显示孔隙率分别为 60% 和 65% 的 C2P60 和 C2P65 样品。(F) 显示参考几何形状。
湍流动能
不同材料的 C2 几何形状的表面温度等值线图：(A) 铝样品；(B) OFHC（铜）样品；(C) 4340 钢样品。
研究中使用商用 ANSYS Fluent 2021 R1 计算流体动力学 (CFD) 软件完成模拟。结果可以帮助理解设计参数与传热强化和优化之间的关系。
研究还发现与传统翅片散热器相比，TPMS 螺旋结构通过更复杂的流动和潜在增加的表面积来增强传热性能。对于不同的胞元尺寸，螺旋流在整个螺旋结构中占主导地位。当流动通过螺旋结构时，入口表现出不稳定的流动传热行为。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S135943112301325X#f0015
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