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微通道冷却通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，如基于密度和水平集的方法，在不施加最大尺度约束的情况下往往难以生成非常薄的通道条带。为了解决这一限制，多尺度设计方法应运而生。我们基于最近在去均质化技术方面的进展，致力于微通道的多尺度设计，用于冷却应用。此外，在去均质化结果中观察到的不完美之处可作为未来改进的基准，解决与建模精度、可制造性和整体性能提升相关的问题。
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换热器中的共轭传热是众多工业应用的核心。拓扑优化（TO）是一种有前途的数值方法，可以从零开始设计高性能的热流体系统。然而，全尺度三维热流体拓扑优化在很大程度上仍然局限于学术领域，尚未被热工程师们轻松探索。为弥合这一差距，本文提出了一种集成设计工作流程，专为三维高分辨率共轭传热系统的拓扑优化量身定制，并结合了平均柔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的拓扑优化框架内采用双网格方法实现的。我们还介绍了Tanatloc，一个用JavaScript开发的用户友好图形界面，为热工程师提供多功能性和交互式体验。最后，制作了一个3D打印金属基原型，并通过CT扫描图像进行逆向工程重建CAD模型，为未来的实验研究铺平了道路。
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本论文着眼于热流体-结构系统的拓扑优化（TO），这是由航空和热管理工业应用所驱动的。弱耦合热流体-结构模型的任意成本泛函的拓扑设计灵敏度被推导出来。然后开发了一种基于反应-扩散方程的水平集方法，用于解决通用的约束拓扑优化问题，允许从零开始设计新的孔洞（或岛屿）。这种方法使得在拓扑演化过程中可以形成新的孔洞（或岛屿）。出于实际应用的需要，两个关键要素被引入到这个工作流程中。第一个是针对分布式有限元分析的物理定制多重网格预处理器。这确保了TO框架中物理计算部分在问题规模方面具有高度可扩展性。第二个是两种不同的非结构化网格自适应技术。更具体地说，体拟合网格作为表面捕捉技术之一，允许涉及多个（流体/固体）子域的全局网格的分离-重联。各向异性网格在解决方案快速变化区域（如内部或边界层）沿着高纵横比元素（高度拉伸的元素）拟合。所有这些要素使我们能够解决各种二维和三维多物理场测试案例，从二维单物理场问题到大规模三维耦合物理场设置，包括最小平均柔度、最小功率损耗、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。最后一章阐述了格子设计。出于对可降解植入物设计中多孔结构需求的考虑，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：它通过求解这个PDE来计算非结构化网格上的"局部平均"特征函数，而无需邻域元素的空间信息。
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