面向潜热热能储存装置的拓扑与材料优化
计算工程、金融与科学
2025-12-25 v2 数值分析
数值分析
摘要
潜热热能储存 (LHTES) 系统是能源储存的有力候选方案，主要由于其高储能密度。提高其性能对于开发下一代高效且具成本效益的装置至关重要。拓扑优化 (TO) 已成为通过最优分配高导热性材料 (HCM) 和相变材料 (PCM) 来设计 LHTES 系统的强大计算工具。然而，传统的 TO 通常仅限于针对固定、预选材料的几何进行优化。这种方法未能利用大规模且不断扩充的新型材料数据库。因此，LHTES 的材料和几何的共设计仍是一个挑战且尚未被探索的领域。为解决这一限制，我们提出了一个用于同时优化材料选择和拓扑的自动化设计框架。一个关键挑战是材料选择的离散性，这与用于 TO 的梯度法不兼容。我们通过使用数据驱动的变分自编码器 (VAE) 将 HCM 和 PCM 的离散材料数据库投影到连续且可微的潜在空间中。将这些连续材料表示集成到一个端到端可微的、时变非线性有限元求解器中，用于考虑相变。我们在一个旨在限定时间内最大化放电能量、受成本约束的问题上演示了此框架。通过几个示范性示例验证了所提出方法的有效性。
引用
@article{arxiv.2510.07057,
title = {TOMATOES: Topology and Material Optimization for Latent Heat Thermal Energy Storage Devices},
author = {Rahul Kumar Padhy and Krishnan Suresh and Aaditya Chandrasekhar},
journal= {arXiv preprint arXiv:2510.07057},
year = {2025}
}
备注
Published in Applied Energy