研究概述
面向热交换器的多尺度拓扑优化（MSCA博士后项目）
微通道冷却常常是紧凑型散热器的首选。然而，广泛采用的拓扑优化（TO）技术，如基于密度法和水平集法，通常难以在不施加最大尺度限制的情况下生成非常薄的通道条带。为了解决这一局限性，多尺度设计方法应运而生。本文基于逆均匀化技术的最新进展，为冷却应用中的微通道多尺度设计做出贡献。我们首先选择了一类微结构，并采用数值均匀化技术构建了一个离线库。该库随后被输入在线宏观尺度的拓扑优化中，其中微结构参数和局部方向场均得到优化。通过使用基于锯齿函数的映射，去同质化结果通过独特的均质设计捕捉到不同尺度下的精细细节。我们的研究结果表明，生成的微通道在性能上优于传统的柱状阵列，为散热器设计者提供了宝贵的见解。此外，去同质化结果中观察到的不完美现象为未来的改进提供了基准，针对建模精度、可制造性和整体性能提升等问题提出了改进建议。
Li, H., Alexandersen, J. Homogenisation-based topology optimisation for convection-dominated heat transfer incorporated with neural network surrogate modelling.
Li, H., Jensen, P.D.L., Woldseth, R.V., Alexandersen, J. Phasor-based dehomogenisation for microchannel cooling topology optimisation. The Intersociety Conference of Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems. [Preprint]
Li, H., Jolivet, P. Alexandersen, J. Multi-scale topology optimisation of microchannel cooling using a homogenisation-based method. Structural and Multidisciplinary Optimization. [Preprint]
湍流建模与优化（博士生：Amirhossein Bayat）
博士生：Amirhossein Bayat；导师：Joe Alexandersen；副导师：Hao Li
本项目致力于推动对湍流的理解和控制，湍流在航空航天、汽车和能源系统等多种工程应用中普遍存在。该研究旨在开发和改进计算模型，以准确模拟湍流，捕捉这些现象中复杂的相互作用和固有的混沌特性。此外，项目还探讨了优化技术，以提高涉及湍流系统的效率和性能。通过整合先进的数值方法和高性能计算，该研究旨在为设计更高效和可持续的工程解决方案做出贡献。
一个易于使用的并行密度法拓扑优化框架（DENSO公司赞助的工业项目）
热交换器中的共轭换热是众多工业应用的核心。拓扑优化（TO）是一种有前景的数值方法，能够从零开始设计高性能的热流体系统。然而，全尺度的三维热流体拓扑优化目前仍主要局限于学术界，尚未被热工程师轻松应用。为弥合这一差距，本文提出了一种集成的设计工作流程，专为三维高分辨率的共轭换热系统拓扑优化而设计，并引入平均柔顺度约束以确保结构完整性和承载能力。这是通过在基于密度法的拓扑优化框架中使用双网格方法实现的。我们还开发了Tanatloc，这是一个用JavaScript开发的用户友好图形界面，提供了多功能性和互动体验，专为热工程师设计。最后，制作了一个基于金属的3D打印原型，并通过CT扫描图像进行逆向工程，重建了CAD模型，为未来的实验研究铺平了道路。
Topology optimisation.
TANATLOC Graphical User Interface.
Metal-based 3D printed prototypes.
Li, H., Garnotel, S., Jolivet, P., et al. "3D topology optimization of conjugate heat transfer considering a mean compliance constraint: advancing toward graphical user interface and prototyping." preprint submitted to Advances in Engineering Software. [Preprint]
基于水平集的热流体-结构系统拓扑优化（JSPS博士项目）
本论文聚焦于热流体-结构系统的拓扑优化（TO），其灵感来源于航空和热管理工业应用。针对弱耦合的热流体-结构模型，推导了任意目标泛函的拓扑设计灵敏度。然后开发了一种基于反应-扩散方程的水平集方法，用于求解通用的约束拓扑优化问题，借此可以从零开始设计，即在拓扑演化过程中可以产生新的孔洞（或岛屿）。为了满足实际应用的需求，该工作流引入了两个关键要素。首先是针对分布式有限元分析的物理特定多重网格预条件器。这确保了TO框架中的物理计算部分能够随着问题规模的增加而具有高度的可扩展性。其次是两种不同的非结构化网格自适应技术。更具体地说，作为表面捕捉技术之一的贴体网格允许多个（流体/固体）子域的全局网格进行不相交的重组。各向异性网格适应高纵横比单元（高度拉伸的单元），用于解决解的快速变化区域，如内部或边界层。所有这些要素使我们能够解决各种二维和三维多物理测试案例，从二维单物理问题到大规模三维耦合物理问题，包括最小柔顺度、最小功率耗散、设计相关和设计无关的流体-结构相互作用（FSI）、自然/强制对流、升力-阻力问题。最后一章重点探讨了晶格设计。受可降解植入物设计中多孔结构需求的启发，采用了一种变分方法（PDE滤波器）来简化几何约束的数值评估：通过求解该PDE，可以在不需要相邻单元空间信息的情况下，在非结构化网格上计算“局部平均”特征函数。
Li, H., Yamada, T., Jolivet, P., et al. "Full-scale 3D structural topology optimization using adaptive mesh refinement based on level-set method." Finite Elements in Analysis and Design 194 (2021): 103561, DOI: 10.1016/j.finel.2021.103561.
Li, H., Kondoh, T., Jolivet, P., et al. "Three-dimensional topology optimization of fluid-structure system using body-fitted mesh adaption based on the level-set method." Applied Mathematical Modelling 101 (2022): 276-308, DOI: 10.1016/j.apm.2021.08.021.
Li, H., Kondoh, T., Jolivet, P., et al. "Optimum design and thermal modeling for 2D and 3D natural convection problems incorporating level set-based topology optimization with body-fitted mesh." International Journal for Numerical Methods in Engineering 123, no. 9 (2022): 1954-1990, DOI: 10.1002/nme.6923.
Li, H., Kondoh, T., Jolivet, P., et al. "Topology optimization for lift-drag problems incorporated with distributed unstructured mesh adaptation." Structural and Multidisciplinary Optimization 65 (2022): 1-15, DOI: 10.1007/s00158-022-03314-w.
Li, H., Yu, M., Jolivet, P., et al. "Reaction-diffusion equation driven topology optimization of high-resolution and feature-rich structures using unstructured meshes." Advances in Engineering Software 108 (2023): 103457, DOI: 10.1016/j.advengsoft.2023.103457.
通过拓扑优化设计的高热流密度散热器的实验和数值研究（硕士项目）
从工程角度出发，我们对通过拓扑优化设计的液冷通道布局与流动和热性能之间的关系进行了实验和数值研究。我们的研究可应用于微处理器、电动汽车电池、LED显示屏等的热管理。
Li, H., Ding, X., Meng F., et al. "Optimal design and thermal modelling for liquid-cooled heat sink based on multi-objective topology optimization: An experimental and numerical study." International Journal of Heat and Mass Transfer 144 (2019): 118638, DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.118638.
Li, H., Ding, X., Jing, D., et al. "Experimental and numerical investigation of liquid-cooled heat sinks designed by topology optimization." International Journal of Thermal Sciences 146 (2019): 106065, DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2019.106065.
