一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法技术

本发明专利技术涉及电子设备散热领域，尤其涉及一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法。根据冷板尺寸、流道面积占比、热边界参数和流体边界条件，并以最小化流体功率耗散和最大化换热量的加权函数为优化目标，对二维拓扑优化模型进行构建和迭代计算；利用拓扑优化的结果，搭建冷板的三维几何模型，并在散热系统模型中进行仿真验证；通过对产热源的最高温度和最大温差，以及冷板压降的分析，判断是否满足设计要求。此法设计的冷板可以有效解决不均匀温度场的散热问题，为电子设备的散热方案的设计提供了一种新思路。计提供了一种新思路。计提供了一种新思路。

【技术实现步骤摘要】
一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法


[0001]本专利技术涉及电子设备散热领域，尤其涉及一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法。

技术介绍

[0002]随着人们对电子设备的性能要求不断增加，高功率的电子元器件逐渐向高集成化和小型化的方向发展，从而高产热带来的温升过高及热不均匀分布等散热问题也愈加凸显。为了保障电子元器件的安全、可靠的运行，需要采取一定的散热措施。目前，通用散热方法包括空冷散热和液冷散热。对于液冷散热，常见的是基于冷板的间接液冷散热，通过冷却液的强制对流换热使得由电子元器件上传到冷板上的热量被及时带走。冷板的典型流道结构包括直流道、蛇形流道、分叉型流道以及树形流道等，这些流道结构简单，加工方便，因而受到广泛应用。然而，采用这些流道结构的冷板往往因为流动阻力较大，在相同的泵功率输入下所获的散热效果极差。
[0003]此外，电子设备在长时间工作时由于局部区域的不均匀产热累积，从而导致不均匀的温度场。对于传统流道设计的冷板来说，难以实现对特定热分布区域进行有效的流道结构布置，因此冷却性能难以提高。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提出一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，按此方法所设计的冷板，仿真结果表明散热效果明显增强，冷板压降得以降低，可以有效解决不均匀温度场的散热问题。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，主要包括以下步骤：
[0007](1)由已知的产热源尺寸来确定冷板尺寸，并设计流道的面积占比；
[0008](2)根据产热源的实际热分布情况，确定二维拓扑模型的热边界参数；
[0009](3)输入已知设计参数，并设置流体的边界条件和冷板的优化目标，建立二维拓扑优化模型，并进行迭代计算，直至满足终止条件时停止；
[0010](4)利用拓扑优化得到的冷板流道结构，设计冷板的三维几何模型；
[0011](5)结合步骤(4)中冷板的三维几何模型，进一步构建产热源的三维几何模型，最终完成散热系统几何模型的搭建；
[0012](6)确定散热系统几何模型中所有结构的热物性参数及冷却液的边界条件；
[0013](7)在步骤(5)的散热系统几何模型中，输入步骤(6)中所有结构的热物性参数和冷却液的边界参数，设计并输入产热源三维几何模型的热边界参数，并仿真求解产热源的温度场和冷板的压力场；
[0014](8)根据产热源的温度场，获得产热源的最高温度值和最大温差值，根据冷板的压力场，获得压降值，并判断上述参数值是否满足设计要求，若满足，则采用此设计方案，否则
修改拓扑模型的设计参数，重复步骤(3)到(8)，直至满足要求。
[0015]对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优选的方案：
[0016]进一步，所述步骤(1)中，已知产热源的尺寸为厚δ1、宽W1和高H1，设计冷板的宽W2和高H2与产热源尺寸相似，为产热源的宽W1和高H1的0.95
‑
1.2；冷板的厚δ2和流道的面积占比A
f
可根据具体需求设定，冷板的厚δ2在3mm～10mm范围，流道的面积占比A
f
可选范围在0～1之间。
[0017]进一步，所述步骤(2)中，二维拓扑模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q1；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数定义为：
[0018][0019]其中，T为无量纲温度，H为生热系数，热分布系数可以是常数或变量，与产热源的热分布形式相关。
[0020]进一步，所述步骤(3)中二维拓扑优化模型的建模和迭代计算，包括以下步骤：
[0021](3a)输入已知设计参数；所述已知设计参数包括步骤(1)和步骤(2)中的所有设计参数；
[0022](3b)设置流体的边界条件和冷板的优化目标；所述流体的边界条件包括流体的雷诺数Re和入口无量纲温度T1和出口的压力P1，所述冷板的优化目标J是指以最小化流体功率耗散J1和最大化换热量J2的加权函数，公式如下：
[0023]J＝w1J1‑
w2J2；
[0024][0025][0026]其中，为梯度算子；T为无量纲温度；H为生热系数；w1和w2为权重因子；Re为雷诺数；u为流体的流速；α为反渗透率；Ω为设计域；γ为设计变量；为热分布系数，与产热源的热分布形式相关。
[0027](3c)根据步骤(3a)和步骤(3b)，在COMSOL软件中建立拓扑优化模型，并进行网格剖分；
[0028](3d)选取SNOPT的优化算法，对步骤(3c)的拓扑优化模型进行迭代计算，同时不断对迭代结果进行滤波处理，迭代的终止条件为：最大迭代步数为250，收敛精度为1
×
10
‑5。
[0029]进一步，所述步骤(4)中，利用拓扑优化得到的冷板流道结构，设计冷板三维几何模型，包括以下步骤：
[0030](4a)导出拓扑优化流道的二维结构；
[0031](4b)利用步骤(4a)中流道结构图，在COMSOL软件中进行冷板的三维几何模型构造。
[0032]进一步，所述步骤(5)中，在步骤(4)中冷板三维几何模型的基础上，引入了产热源模型，构建散热系统的三维几何模型。
[0033]进一步，所述步骤(6)中，散热系统模型中全部结构的热物性参数包括导热系数k
i
、定压比热容c
p,i
、密度ρ
i
和动力粘度μ
i
；所述冷却液的边界条件包括冷却液的质量流量q
f
、温度T
f
及出口压力p
f
。
[0034]进一步，所述步骤(7)中，散热系统模型的参数输入及仿真计算，包括以下步骤：
[0035](7a)设计并输入产热源的三维几何模型的热边界参数；所述产热源三维几何模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q2；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数Q2与产热密度幅值E及热分布系数相关，定义为：
[0036](7b)输入步骤(6)中获取的热物性参数和冷却液的边界条件；
[0037](7c)对步骤(5)的散热系统的三维几何模型进行网格划分，并在COMSOL软件中进行仿真求解产热源的温度场和冷板的压力场。
[0038]进一步，所述步骤(8)中，最大温差ΔT和压降ΔP的计算公式如下：
[0039]ΔT＝T
max
‑
T
min
，ΔP＝P
in
‑
P
out
；
[0040]其中，T
max
和T
min
分别为产热源的最高温度和最低温度，P
in
和P
out
分别为冷却液的入口压力和出口压力。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)由已知的产热源尺寸来确定冷板尺寸，并设计流道的面积占比；(2)根据产热源的实际热分布情况，确定二维拓扑模型的热边界参数；(3)输入已知设计参数，并设置流体的边界条件和冷板的优化目标，建立二维拓扑优化模型，并进行迭代计算，直至满足终止条件时停止；(4)利用拓扑优化得到的冷板流道结构，设计冷板的三维几何模型；(5)结合步骤(4)中冷板的三维几何模型，进一步构建产热源的三维几何模型，最终完成散热系统几何模型的搭建；(6)确定散热系统几何模型中所有结构的热物性参数及冷却液的边界条件；(7)在步骤(5)的散热系统几何模型中，输入步骤(6)中所有结构的热物性参数和冷却液的边界参数，设计并输入产热源三维几何模型的热边界参数，并仿真求解产热源的温度场和冷板的压力场；(8)根据产热源的温度场，获得产热源的最高温度值和最大温差值，根据冷板的压力场，获得压降值，并判断上述参数值是否满足设计要求，若满足，则采用此设计方案，否则修改拓扑模型的设计参数，重复步骤(3)到(8)，直至满足要求。2.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(1)中，已知产热源的尺寸为厚δ1、宽W1和高H1，设计冷板的宽W2和高H2与产热源尺寸相似，为产热源的宽W1和高H1的0.95
‑
1.2；冷板的厚δ2和流道的面积占比A
f
可根据具体需求设定，冷板的厚δ2在3mm～10mm范围，流道的面积占比A
f
可选范围在0～1之间。3.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(2)中，二维拓扑模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q1；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数定义为：其中，T为无量纲温度，H为生热系数，热分布系数可以是常数或变量，与产热源的热分布形式相关。4.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(3)中，二维拓扑优化模型的建立和迭代计算，包括以下步骤：(3a)输入已知设计参数；所述已知设计参数包括步骤(1)和步骤(2)中的所有设计参数；(3b)设置冷板的流体的边界条件和优化目标；所述流体的边界条件包括流体的雷诺数Re和入口无量纲温度T1和出口的压力P1，所述冷板的优化目标J是指以最小化流体功率耗散J1和最大化换热量J2的加权函数，公式如下：J＝w1J1‑
w2J2；；其中，为梯度算子；T为无量纲温度；H为生热系数；w1和w2为权重因子；Re为雷诺数；u为流体的流速；α为反渗透率；Ω为设计域；γ为设计变量；为热分布系数，与产热源的热
分布形式相关；(3c)根据步骤(3a)和步骤(3b)，在COMSOL软件中建立拓扑优化数学模型，并对几何模型进行网格剖分；(3d)选取SNOPT的优化算法，对步骤(3c)的拓扑优化模型进行迭代计算，迭代的终止条件为：最大迭代步数...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉恒松，罗天贝，李翔，仲敏波，王谦，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：