液冷式散热器广泛应用于各类发热装置中,例如注塑成型模具、大规模集成电路、新能源汽车电池组等。冷却效果的优劣对装备的工作效率和使用寿命有着直接的影响。传统的散热器优化方法如参数优化或半经验式算法存在需要预先给定拓扑连接结构、无法保证优化结果可靠性等缺点。而拓扑优化基于对物理场的仿真分析将有限的材料在设计域内进行分布,以最小化目标函数。因此拓扑优化既能实现高自由度设计,又保证了设计的可靠性。本文针对液冷式散热器的拓扑优化设计开展了如下工作:1.基于组件思想的二维流热耦合拓扑优化方法。针对密度法流-热拓扑优化中无显式边界的问题,首次基于组件思想建立了二维散热器拓扑优化方法,提出一种基于二次B样条曲线的可弯组件来描述流道。该方法相较于密度法有更好的寻优能力,并且能结合自适应网格提高流场模拟准确性。2.三维散热器拓扑优化相关问题研究。针对三维散热器拓扑优化中出现的不合理“水墙”结构,提出将固体域是否以热传导效应占优作为判断标准,通过数值算例得出需Da≤10-7才能保证Brinkman方程模拟的合理性;为保证散热器的承载性能以及避免三维拓扑优化中不切实际的固体悬浮结构,基于密度法建立了考虑承载性能的散热器拓扑优化方法。利用数值方法研究了结构热膨胀效应和不同的承载模式对优化结果结构特征的影响。此外针对注塑成型冷却系统设计展开初步研究,采用简化模型拓扑优化了球状制品的随形冷却流道。3.流道和热源位置的协同拓扑优化方法。针对散热器最优设计时流道与热源位置相互耦合的问题,建立了一种密度法描述流道、组件法描述热源的协同拓扑优化方法。对于多个热源具有不同发热功率时初始分布依赖问题,提出了基于目标函数降低必要条件的热源重分布算法。研究表明建立的优化方法能高效地对热源和流道进行优化设计,并且总结出多强度热源的一般性排布准则,即高功率热源应尽量靠近流道入口。4.基于OpenFOAM平台的多物理场拓扑优化程序开发。该程序目前支持多种拓扑优化方法、支持流-热-固拓扑优化问题求解、支持大规模并行计算和动态网格加密。