Mikro ölçekli ısıl yönetimde geliştirilmiş ısıl ve hidrolik performans için silindirik olarak düzenlenmiş üçlü periyodik minimal yüzey (TPMS) gözenekli yapıların çok amaçlı optimizasyonu

Bu çalışma, elektronik soğutma için mikroyapılı ısı alıcılarında ısıl ve hidrolik performansı artırmaya yönelik, silindirik olarak düzenlenmiş Üçlü Periyodik Minimal Yüzey (TPMS) gözenekli yapılar için çok amaçlı bir optimizasyon çerçevesi sunmaktadır. COMSOL Multiphysics'te gerçekleştirilen bağıl ısı transferi (conjugate heat transfer) simülasyonları, MATLAB ortamında genetik algoritmalar (GA) ve makine öğrenimi (ML) yaklaşımlarıyla bütünleştirilmiş; yedi geometrik parametre (hücre periyodiklikleri, iç yarıçap, radyal/eksenel seviye-set gradyanları) dört farklı TPMS tipi (gyroid, diamond, Neovius, primitive) üzerinde optimize edilmiştir. Amaç, Reynolds sayısının 500 ve ısı akısının 300 kW/m² sabit tutulduğu koşullarda hacimsel Nusselt sayısının (𝑁𝑢𝑣) maksimize edilmesi ve sürtünme katsayısının (f) minimize edilmesidir. Doğrudan GA optimizasyonu, 30 nesil boyunca elde edilen Pareto ön cephelerinde gyroid yapıların baskın olduğunu göstermiştir; bu yapılar, sürtünme artışları kontrol altında tutulurken %300'e varan 𝑁𝑢𝑣 iyileştirmeleri sağlamıştır. Bu sonuçlar, %50–60 gözeneklilik, 0,16–0,18 mm iç yarıçap, pozitif eksenel gradyanlar (0,3–0,8), yüksek eksenel/açısal hücre sayıları ve minimum radyal bölümlendirmeyi avantajlı kılmıştır. GA verileriyle eğitilen Gaussian Süreç Regresyonu tabanlı ML modelleri (R² > 0,85), dolaylı GA yöntemine imkân vererek hesaplama süresini 400 saatten 30 saate düşürmüş, çözüm kalitesini ise korumuştur. Özellik önem sıralaması, gözeneklilik, TPMS yüzey alanı ve periyodikliği temel belirleyiciler olarak öne çıkarmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) analizleri, optimal tasarımlarda üstün akış düzgünlüğü ve ısı akısı dağılımı doğrulamış; yüksek gözenekliliklerde artırılmış bağlantısallık sayesinde gyroidlerin, düşük gözenekliliklerde ise içe yoğunlaşmış taşınımla diamond yapıların öne çıktığını göstermiştir. Silindirik düzenleme, akış dengelenmesi ve sıcak nokta azaltımında geleneksel kübik kafeslere kıyasla daha başarılı bulunmuş, böylece TPMS tabanlı termal yönetimin ilerletilmesine katkı sağlamıştır.