一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法，所述方法假设所有热源平均温度相同，结合流阻网络模型和简化传热模型构建优化模型；通过给定某一个待优化结构参数的值，利用优化模型计算出热源平均温度和系统的其余待优化结构参数；在不同选定参数取值下得到的计算结果中，将热源平均温度最低对应的并行流道冷却系统结构参数作为优化结果。本发明专利技术所述优化方法基于代数方程表征的优化模型得到优化的系统结构，能够显著改善热源温度均匀性，具有简单易操作、优化效果好、扩展性强、快捷高效等优点。捷高效等优点。捷高效等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法


[0001]本专利技术涉及发热元件热控领域，具体涉及一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法。

技术介绍

[0002]并行流道冷却系统是一种紧凑高效的散热装置，通过分流到各条并行流道的冷却工质与高温热源进行热交换来带走热源产生的热量，目前被广泛应用于高热流密度电子器件冷却、动力电池热管理、激光二极管散热、核反应堆系统冷却等领域。系统的结构对冷却工质的流量分配具有显著影响，进而影响系统散热性能。不合理的结构形式会导致系统出现较高的热点温度和较大的温差，难以满足电子器件和动力电池等发热元件的热控要求。因此，对并行流道冷却系统的结构进行设计非常必要。已有研究主要采用优化算法来设计并行流道冷却系统结构参数，如Chen等(Chen K，Chen Y M，Li Z Y，Yuan F，Wang S F.Design of the cell spacings of battery pack in parallel air
‑
cooled battery thermal management system[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，127：393
‑
401.)提出一种根据热源温度调整并行流道宽度的启发式方法，用于Z型并行流道冷却系统结构设计时，使热源最高温度下降了3K，温差减小了60％以上；Chen等(Chen K，Wang S F，Song M X，Chen L.Structure optimization of parallel air
‑
cooled battery thermal management system[J].International Journal o f Heat and Mass Transfer，2017，111：943
‑
952.)采用嵌套牛顿迭代法对Z型并行流道冷却系统的导流板倾角进行优化，使热源温差在相同的冷却流量下减小了45％；Liao等(Liao X P，Ma C，Peng X B，Garg A，Bao N S.Temperature distribution optimization of an air
‑
cooling lithium
‑
ion battery pack in electric vehicles based on the response surface method[J].Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage，2019，16：041002.)采用遗传算法对U型并行流道冷却系统的分配流道、汇合流道以及并行流道宽度进行设计，使热源最高温度下降了2.7K，温度标准差减小了0.3K；Liu等(Liu Y Z，Zhang J.Design a J
‑
type air
‑
based battery thermal management system through surrogate
‑
based optimization[J].Applied Energy，2019，252∶113426.)采用遗传算法对Z、U、J型并行流道冷却系统的并行流道宽度进行优化，使系统散热性能得到有效提升。然而，上述优化算法主要通过经验性的启发式调整策略或者具有随机性的组合算子对系统结构进行调整，难以得到最优解，阻碍了系统散热性能的进一步提升。因此，目前仍缺乏高效的并行流道冷却系统结构优化方法。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法。
[0004]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0005]一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法，包括以下步骤：
[0006]S1、给定并行流道冷却系统的冷却工质流量Q0、进口温度T0、热源产热速率Φ、热源尺寸和数量N
s
、系统总体积，根据系统总体积、热源尺寸和数量确定并行流道的数量N
PD
和宽度总和W；
[0007]S2、假设单个热源内部温度分布均匀且所有热源的平均温度相同，热源温度方程为：
[0008]T
s，i
＝T
const
，i＝1，2，
…
，N
s
[0009]其中T
s，i
代表第i个热源平均温度，T
const
代表待求解的热源平均温度值，N
s
代表热源数量；该方程与流阻网络模型和简化传热模型共同组成优化模型；
[0010]S3、从优化模型中选取其中一个待优化结构参数作为已知参数，按照一定的取值区间和取值步长遍历该参数的所有取值；对于每个取值，求解优化模型，可得到其余待优化结构参数的值以及对应的热源温度T
const
，从中选出热源温度最低的结构参数结果作为最终优化结果。
[0011]进一步地，所述优化模型包括热源温度方程、流阻网络模型和简化传热模型。
[0012]进一步地，所述优化模型假设热源温度相同但未知，补充N
s
个热源温度方程。
[0013]进一步地，所述流阻网络模型为：
[0014]对于第i个分配节点：
[0015]Q
DD，i
＝Q
PD，i
+Q
DD，i+1
[0016]对于第i个汇合节点：
[0017]Q
CD，i
＝Q
PD，i
+Q
CD，i
‑1[0018]其中，Q
DD，i
代表第i条分配流道的冷却工质流量；Q
PD，i
代表第i条并行流道的冷却工质流量；Q
CD，i
代表第i条汇合流道的冷却工质流量；
[0019]对于第i个流动回路：
[0020]ΔP
loss，DD，i+1
+ΔP
loss，PDi+1
‑
ΔP
loss，CD，i
‑
ΔP
loss，PD，i
＝0
[0021]ΔP
loss
＝ΔP
friction
+ΔP
local
[0022][0023][0024][0025][0026]其中，ΔP
loss，DD，i
、ΔP
loss，PD，i
和ΔP
loss，CD，i
分别代表第i条分配流道、第i条并行流道和第i条汇合流道的总阻力损失，ΔP
friction
代表流道的沿程阻力损失，ΔP
local
代表节点的局部阻力损失，ξ和χ分别代表局部阻力系数和沿程阻力系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、给定并行流道冷却系统的冷却工质流量Q0、进口温度T0、热源产热速率Φ、热源尺寸和数量N
s
、系统总体积，根据系统总体积、热源尺寸和数量确定并行流道的数量N
PD
和宽度总和W；S2、假设单个热源内部温度分布均匀且所有热源的平均温度相同，热源温度方程为：T
s，i
＝T
const
，i＝1，2，
…
，N
s
其中T
s，i
代表第i个热源平均温度，T
const
代表待求解的热源平均温度值，N
s
代表热源数量；该方程与流阻网络模型和简化传热模型共同组成优化模型；S3、从优化模型中选取其中一个待优化结构参数作为已知参数，按照一定的取值区间和取值步长遍历该参数的所有取值；对于每个取值，求解优化模型，可得到其余待优化结构参数的值以及对应的热源温度T
const
，从中选出热源温度最低的结构参数结果作为最终优化结果。2.根据权利要求1所述的一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法，其特征在于，所述优化模型包括热源温度方程、流阻网络模型和简化传热模型。3.根据权利要求1所述的一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法，其特征在于，所述优化模型假设热源温度相同但未知，补充N
s
个热源温度方程。4.根据权利要求2所述的一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法，其特征在于，所述流阻网络模型为：对于第i个分配节点：Q
DD，i
＝Q
PD，i
+Q
DD，i+1
对于第i个汇合节点：Q
CD，i
＝Q
PD，i
+Q
CD，i
‑1其中，Q
DD，i
代表第i条分配流道的冷却工质流量；Q
PD，i
代表第i条并行流道的冷却工质流量；Q
CD，i
代表第i条汇合流道的冷却工质流量；对于第i个流动回路：ΔP
loss，DD，i+1
+ΔP
loss，PD，i+1
‑
ΔP
loss，CD，i
‑
ΔP
loss，PD，i
＝0ΔP
loss
＝ΔP
friction
+ΔP
locallocallocallocal
其中，ΔP
loss，DD，i
、ΔP
loss，PD，i
和ΔP
loss，CD，i
分别代表第i条分配流道、第i条并行流道和第i条汇合流道的总阻力损失，ΔP
friction
代表流道的沿程阻力损失，ΔP
local
代表节点的局部阻力损失，ξ和χ分别代表局部阻力系数和沿程阻力系数，l和D分别代表流道的长度和当量直径，ρ
f
代表冷却工质的密度，U代表流道内冷却工质的平均流速，下标PD、DD和CD分别表
示并行流道、分配流道和汇合流道。5.根据权利要求2所述的一种高效的并行流道冷却系统结构优化方法，其特征在于，所述简化传热模型为：对于第i个热源：Φ
s，i
V
s，i
＝h
CD，i
S
up，i
ΔT
up，i
+h
DD，i+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凯，张家俊，吴晓玲，董源，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：