一种强化自然对流换热的异型翅片结构设计方法技术

一种强化自然对流换热的异型翅片结构设计方法，先确定自然对流换热问题物理模型：根据实际的基于自然对流换热的翅片结构设计问题，提取出待分析域和几何、物理条件，并建立适用于拓扑优化的物理模型；然后建立基结构的有限体分析模型；再建立异型翅片结构的优化模型:以最小化热源处均温目标函数，采用变密度法结构描述的拓扑优化方法，建立由物理场驱动的优化模型，确定每次的优化方向；然后进行异型翅片结构的迭代优化，获得优化的异型翅片结构；最后对优化后的异型翅片进行光滑圆整处理；本发明专利技术无需苛求设计经验，无需进行繁杂的设计、模拟、改进再设计过程，得到的异型翅片结构能充分强化自然对流换热效果，达到最佳冷却效果。

【技术实现步骤摘要】
一种强化自然对流换热的异型翅片结构设计方法
本专利技术属于翅片结构设计
，具体涉及一种强化自然对流换热的异型翅片结构设计方法。
技术介绍
电子设备的小型化、大功率化和低噪音化使其对散热有着更高的要求。基于自然对流换热效应的降温设备，因在无需外界动力、无须额外设施、无噪音的情况下，便能提供较好的散热效果而被广泛应用；其中，翅片结构决定性的影响了散热效果。翅片结构通过与热源接触，将热量导出；翅片周围的流体，通过与翅片相互作用、借助自然对流效应能快速带走翅片所传导的大量热量，进而起到降温效果；而自然对流翅片的结构的优劣能显著的影响自然对流效应的强弱程度，进而影响降温效果；人们对如何设计实现能在高热流密度设备的强化自然对流换热的翅片结构不断进行着探索。随着计算机仿真技术的发展，强化自然对流换热翅片结构的设计与热、流耦合仿真相结合的方式已经成为主流；设计者依据经验及直觉设计出翅片结构，然后利用热流耦合仿真软件进行仿真分析，得到流体对流情况与降温效果，验证其是否满足使用要求，同时给出翅片结构的改进措施；这种结合热流仿真的设计方式相比于以往的热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种强化自然对流换热的异型翅片结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)确定自然对流换热问题的分析域和物理模型：/n1.1)根据实际的自然对流翅片结构设计问题，简化提取出分析域和几何、物理条件；分析域包含待优化的翅片结构与翅片结构周围用于与翅片相互影响进而进行自然对流冷却的流体，分析域中，翅片能够自由变化寻优的区域称为设计域，其余部分称为非设计域；提取的几何、物理条件包括整体形状、热源位置、翅片布置、密闭形式、翅片材料属性、流体属性与流动状态；/n1.2)针对问题建立适用于拓扑优化的物理模型：使用固体流体区域统一的建模方法，以适应翅片结构在优化的过程中不断迭代变化；固流统一的自然对流...

【技术特征摘要】
1.一种强化自然对流换热的异型翅片结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定自然对流换热问题的分析域和物理模型：
1.1)根据实际的自然对流翅片结构设计问题，简化提取出分析域和几何、物理条件；分析域包含待优化的翅片结构与翅片结构周围用于与翅片相互影响进而进行自然对流冷却的流体，分析域中，翅片能够自由变化寻优的区域称为设计域，其余部分称为非设计域；提取的几何、物理条件包括整体形状、热源位置、翅片布置、密闭形式、翅片材料属性、流体属性与流动状态；
1.2)针对问题建立适用于拓扑优化的物理模型：使用固体流体区域统一的建模方法，以适应翅片结构在优化的过程中不断迭代变化；固流统一的自然对流翅片物理模型如下：



其中，u，P，T分别为速度场，压力场和温度场；ρ0为流体密度，Cp为流体比热；通过将流体密度与温度和压力的关系简化为线性函数形式，浮力项Ff定义为：
Ff＝ρ0gβ(T-T0)(2)
其中，β为流体热膨胀系数，T0为初始温度；
s为动量吸收项，使用多孔介质假设来统一描述固体翅片和流体的运动情况，
s＝-αu(3)
其中α为反渗透率，固体处渗透率为0，流体无法流动，即反渗透率为无穷大；而液体处渗透率为无穷大，即反渗透率为0，流体可自由流动：
使用有效导热系数k来统一表述固体翅片材料和空气的导热率：



2)建立基结构的有限体积法分析模型：
针对自然对流翅片物理模型，采用外节点的均匀六面体非结构网格单元对分析域进行有限体积法离散，建立固体流体耦合的有限体分析模型，有限体分析模型称为基结构，基结构中每个子网格，均有固体或流体的材料特性与物理特性，控制容积边界采用MUSCL方法进行插值：






其中，Ui和Uj分别表示第i和第j个有限体单元的守恒变量；和分别表示边界处i侧和j侧的插值守恒向量；λ为精度调节算子，取-1；Δ-和Δ+分别为向前和向后差分算子；
3)建立异型翅片结构的优化模型：
以最小化热源处均温目标函数，采用变密度法结构描述的拓扑优化方法，建立由物理场驱动的优化模型，确定每次的优化方向，具体步骤如下：
3.1)构建异型翅片结构的变密度法描述模型：
对于离散后的第i个有限体网格，被赋予设计变量γi，0≤γi≤1，γi＝0表示固体翅片材料，γi＝1表示冷却流体，位于0-1之间则表示该处材料性质介于固体和流体之间；设计变量场γ＝{γ1，γ2，...，γi，...}T表征了翅片材料和冷却流体在设计域中的分布，在迭代优化过程中，新的异性翅片结构通过设计变量场的改变得到；其中，非设计域材...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝童，郭书哲，刘策，闫素娜，刘宏磊，洪军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61