基于动物血管系统形成机理的散热通道分布设计方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于动物血管系统形成机理的散热通道分布设计方 法，根据动物血管系统须满足能量损失最小，并应遍布给定的整个三维成 长空间的要求，研究了动物血管系统形态的形成机理，再生了其形态形成过 程，并利用该形成机理，研究了热传递系统散热通道分布设计方法。设计 得到的散热通道，能自适应各种复杂的热环境，并达到最优的散热效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种散热设计方法，特别涉及一种基于动物血管系统形成 机理的散热通道分布设计方法。
技术介绍
传导传热系统一般由两种材料组成，基底由低导热系数的材料构成，高 导热系数的材料作为插件分布于基底材料中。两种材料的导热系数之比远大 于1，以便使在基底材料中产生的热量能有效地通过高导热系数材料组成的 散热通道，引导至由位于系统边缘的散热口散热。如果把动物血管系统看成 吸收环境物质的传输系统，其功能和传导传热系统中的高导热材料组成的散 热通道十分相似。动物的动静脉血管系统能在一定的三维空间内输送或收集能 量或物质，在考虑了输送或收集物质的粘性和摩擦的同时，合理巧妙地调整血 管分枝的成长方向和成长速度，使其末端遍布整个三维空间，并使压力和流量 的分布达到一定的功能要求。其形态的形成是一个能实现多个功能目标的优化 过程，血管分枝总是沿着能使其功能目标最优的方向发展，并随时根据局部成 长环境和需实现的功能目标自适应地改变其成长方向和成长速度。
技术实现思路
，本专利技术是针对传导传热系统的散热效率的问题，提出了一种基于动物血 管系统形成机理的散热通道分布设计方法，通过研究动物血管系统形态形 成机理，设计得到的散热通道因具有和动物血管系统类似的功能最优性，能 自适应各种复杂的热环境，并达到最优的散热效率。本专利技术的技术方案为 一种，被散热体产生的热量，依赖传热系统中高导热系数材料散 热，传热系统散热通道分布设计方法包括如下步骤-1) 对被散热体建立有限元模型，并进行有限元热分析后，得到被散热体的 温度分布； '2) 根据动物血管系统形成机理，把散热体的热量分布看成动物血管系统中 待吸收物质的浓度分布，进行能量损失最小及自适应设计，能量损失最小及 自适应设计遵循动物血管系统的分歧规则和成长规则，分歧规则遵循能量 损失最小设计，即当分歧后的两个子枝半径的立方和等于母枝半径的立方 时，该分枝系统输送流体时克服粘性摩擦和维持流体流动所损失的能量最 小；成长规则遵循自适应成长规律，即新枝总是沿着能使整个分枝系统的 某一功能目标达到最优的方向分歧成长； '3) 根据步骤2)的能量损失最小及自适应成长规律进行散热通道的分布设 计，得到高导热系数材料组成的散热通道的几何形状。所述高导热系数材料组成的散热通道的几何形状具有自然分枝系统的形 态，高导热系数材料分布密度依赖于被散热体的热量分布，即热量大的区域 高导热系数材料的分布密度高，而热量小的区域分布密度低。本专利技术的有益效果在于本专利技术基于动物血管系统形成机理的散热通道 分布设计方法，利用动物血管系统的形成机理设计的传导传热系统，可以使 所设计的传热系统具有与动物血管系统相似的自适应性，在复杂的热边界条 件下，散热通道能根据舉统的即时热量分布灵活合理地配置，使整个系统的 温度分布尽可能均匀。 附图说明图1为本专利技术中均匀分布待吸收物质浓度圆形领域动物血管系统形态示意图2为本专利技术中均匀分 布待吸收物质浓度半球壳形领域动物血管系统形态示意图； 图3为本专利技术中非均匀 圆型领域待吸收物质浓度分布示意图4为本专利技术中非均匀 分布待吸收物质浓度圆型领域动物血管系统形态示意图5为本专利技术中均匀分 布热发生率的传热系统有限元模型示意图6为本专利技术中均匀分 布热发生率的传热系统温度场示意图7为本专利技术中非均匀 分布热发生率的传热系统有限元模型示意图8为本专利技术中非均匀 分布热发生率的传热系统温度场示意图9为与本专利技术相比较 的水平垂直树状传热系统有限元模型示意图10为与本专利技术相比 较的水平垂直树状传热系统温度场示意图11为本专利技术中自然 分枝传热系统有限元模型示意图；图12为本专利技术中自然分枝传热系统温度场示意图。具体实施例方式在分析和总结动物血管系统形态形成机理的研究基础上，本专利技术提出了 能实现功能最优的动物血管系统形态再生的计算机模拟算法，并应用于散热 通道分布的设计技术中。1、动物血管系统形态再生的计算机模拟算法为了利用动物血管系统形态自适应性进行散热通道的分布设计，有必要 综合考虑其普遍成长规律，在计算机上仿真其成长过程。如果把动物血管系 统看成一个流体输送系统，其形态形成的普遍规律之一是能量最小原理，即 系统的形态能使它所输送的流体在从入口到出口的流动过程中损失的能量最 小。因此生成的分枝系统应在相关的流体力学条件限制下，满足能量损失最 小的要求，并应遍布给定的整个三维成长空间。同时还应满足整个分枝系统 的体积最小的要求，在一个动物的血管系统中这意味着将血液输送到一定的 三维空间所需的血液量最小。从流体力学的原理和工程优化的概念出发，一 个典型的动物血管系统的成长规则和分歧规则如下1) 分枝规则子枝和母枝的截面大小之比由基于能量最小原理的Murray规律(式1)决定。Murray规律说明，当分歧后的两个子枝半径的立 方和等于母枝半径的立方时，该分枝系统输送流体时克服粘性摩擦和维持流 体流动所损失的能量最小。r03 = f + r23 (1)2) 成长规则新枝总是沿着能使整个分枝系统的某一功能目标达到最优的方向分歧成长。因此，新枝的分枝方向和成长速度由其成长环境来自动 优化控制，实现自适应生长，即在给定的成长环境下，通过搜寻成长的最优 点，决定新枝的成长速度和分歧方向。为了模拟动物血管系统的成长环境， 在给定的三维空间内按设计要求分布一定的待吸收物质浓度。血管分枝系统 在成长过程中，新枝的末端选择在成长空间中待吸收物质浓度最高的点上。 如果这样的点多于一个，则随机抽选。新枝成长后，由于吸收了其附近的物 质养分，其周围的浓度以一定的规律降低(更新)。为了使整个三维成长空 间的物质分配均匀，假定所有末端的流量和压力相等。基于上述成长规则和分歧规则，在不同的待吸收物质浓度分布条件下，不同形状的成长空间中模拟成长的分枝系统如图1- 4所示，其中图1、 2为均匀分布的待吸收物质浓度下，在圆形领域和半球壳形空间中成长的分枝系统形态；图3、 4为非均匀分布的待吸收物质浓度下在圆形领域中成长的分 枝系统，图3为待吸收物质浓度分布图，较深的颜色表示较高的浓度。由图 可见，圆形领域被对称地分成四部分，对角的两个区域分布了相同的待吸收 物质浓度，较高和较低浓度的比值假定为0.6。由图l， 2及4可见，生成的血管分枝系统自适应于给定的待吸收物质浓度分布，在均匀分布的浓度下， 分枝系统的枝分布密度基本上也是均匀的；而在不均匀分布的浓度下，枝的 分布密度依赖于浓度的分布密度。同时可以发现，在生长过程中树干及一些 大枝首先快速成长，然后大量的小枝逐渐遍布整个成长区域。在待吸收物质 浓度不均匀分布的条件下，树干和大枝首先在浓度高的区域内成长，随后才 在浓度低的区域内蔓延。生成的分枝系统具有明显尺寸差异的大枝和小枝， 这个特征和实际的生物分枝系统很相似树干和大枝承担能量和物质输送的任务，而小枝及其末端承担与环境的物质交换任务。2、 散热通道的分布设计方法传导传热系统设计的关键技术是怎样分布高导热系数的材料组成散热通 道，使基底材料中产生的热量能够有效散热，从而使整个系统的温度分布均 匀。如果把动物血管系统形成过程中的待吸收物质浓度的概念看成传热系统 中分布的热量，则可以把分枝网看成为传导传热系统中的高导热系数材料的 分布。由于分枝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动物血管系统形成机理的散热通道分布设计方法，被散热体产生的热量，依赖传热系统中高导热系数材料散热，传热系统散热通道分布设计方法包括如下步骤：　１）对被散热体建立有限元模型，并进行有限元热分析后，得到被散热体的温度分布；２）根据动物血管系统形成机理，把散热体的热量分布看成动物血管系统中待吸收物质的浓度分布，进行能量损失最小及自适应设计，能量损失最小及自适应设计遵循动物血管系统的分歧规则和成长规则，分歧规则：遵循能量损失最小设计，即当分歧后的两个子枝半径的立方和等于母枝半径的立方时，该分枝系统输送流体时克服粘性摩擦和维持流体流动所损失的能量最小；成长规则：遵循自适应成长规律，即新枝总是沿着能使整个分枝系统的某一功能目标达到最优的方向分歧成长；　３）根据步骤２）的能量损失最小及自适应成长规律进行散热通道的分布设计，得到高导热系数材料组成的散热通道的几何形状。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晓红，李国杰，山崎光悦，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31