論文の概要: DualMS: Implicit Dual-Channel Minimal Surface Optimization for Heat Exchanger Design

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.02830v2
• Date: Mon, 19 May 2025 07:52:06 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-05-20 17:08:52.552397
• Title: DualMS: Implicit Dual-Channel Minimal Surface Optimization for Heat Exchanger Design
• Title（参考訳）: DualMS:熱交換器設計のための入射デュアルチャネル最小表面最適化
• Authors: Weizheng Zhang, Hao Pan, Lin Lu, Xiaowei Duan, Xin Yan, Ruonan Wang, Qiang Du,
• Abstract要約: 三周期最小面(TPMS)のような最先端の設計は、熱交換効率の最適化に有効であることが証明されている。 TPMSの設計は、予め定義された数学的方程式によって制約され、自由形式境界形状への適応性が制限される。 本稿では,二チャネル最小曲面を最適化するための新しい計算フレームワークであるDualMSを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 19.46117120497087
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Heat exchangers are critical components in a wide range of engineering applications, from energy systems to chemical processing, where efficient thermal management is essential. The design objectives for heat exchangers include maximizing the heat exchange rate while minimizing the pressure drop, requiring both a large interface area and a smooth internal structure. State-of-the-art designs, such as triply periodic minimal surfaces (TPMS), have proven effective in optimizing heat exchange efficiency. However, TPMS designs are constrained by predefined mathematical equations, limiting their adaptability to freeform boundary shapes. Additionally, TPMS structures do not inherently control flow directions, which can lead to flow stagnation and undesirable pressure drops. This paper presents DualMS, a novel computational framework for optimizing dual-channel minimal surfaces specifically for heat exchanger designs in freeform shapes. To the best of our knowledge, this is the first attempt to directly optimize minimal surfaces for two-fluid heat exchangers, rather than relying on TPMS. Our approach formulates the heat exchange maximization problem as a constrained connected maximum cut problem on a graph, with flow constraints guiding the optimization process. To address undesirable pressure drops, we model the minimal surface as a classification boundary separating the two fluids, incorporating an additional regularization term for area minimization. We employ a neural network that maps spatial points to binary flow types, enabling it to classify flow skeletons and automatically determine the surface boundary. DualMS demonstrates greater flexibility in surface topology compared to TPMS and achieves superior thermal performance, with lower pressure drops while maintaining a similar heat exchange rate under the same material cost.
• Abstract（参考訳）: 熱交換器は、エネルギーシステムから化学処理まで幅広い工学的応用において重要な要素であり、効率的な熱管理が不可欠である。 熱交換器の設計目的は、圧力降下を最小化しながら熱交換率を最大化することであり、大きな界面面積と滑らかな内部構造の両方を必要とする。 三周期最小面(TPMS)のような最先端の設計は、熱交換効率の最適化に有効であることが証明されている。 しかし、TPMSの設計は予め定義された数学的方程式によって制約され、自由形式境界形状への適応性が制限される。 加えて、TPMS構造は本来は流れの方向を制御せず、流れの停滞と望ましくない圧力降下を引き起こす可能性がある。 本稿では,熱交換器の設計を自由形に最適化する新しい計算フレームワークであるDualMSを提案する。 我々の知る限りでは、TPMSに頼るのではなく、2流体熱交換器の最小表面を直接最適化する最初の試みである。 提案手法は, 熱交換最大化問題を, 最適化過程を導いたフロー制約を伴って, グラフ上の制約付き連結最大カット問題として定式化する。 所望の圧力降下に対処するために、最小表面を2つの流体を分離した分類境界としてモデル化し、面積最小化のための追加の正規化項を組み込んだ。 空間点を二元流のタイプにマッピングするニューラルネットワークを用いて、フロースケルトンを分類し、表面境界を自動的に決定する。 DualMSは、TPMSと比較して表面トポロジーの柔軟性が向上し、同じ材料コストで同様の熱交換率を維持しながら、低い圧力降下で優れた熱性能を達成する。

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