树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法技术

本发明专利技术公开了树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法，包括冷板出入口位置和几何尺寸及物理边界参数的确定；基于确定的树状流道骨架，进一步提供树状结构特征；对同一分支进行分段处理，区分分支层间拓扑关系构建与分支层内自由建模两个过程，提供了更自然、更灵活的树状建模框架；采用三次B样条函数和伯恩斯坦函数表征通道模式、椭圆横截面形状与尺寸、通道扭转；以控制几何特征的参数为设计变量；采用非支配排序遗传算法II(NSGA

【技术实现步骤摘要】
树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法


[0001]本专利技术属于电子设备
，具体涉及树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法。

技术介绍

[0002]热管理在不同工程应用中得到了广泛的应用，例如电动与混合电动汽车、电子芯片、机器人、可穿戴设备及电机等。目前，随着小型化、高集成度以及高能量密度等问题不断涌现，热管理的重要性不断增强甚至成为核心设计。共轭传热作为一种高效的冷却策略，通常应用在热管理设计中，包括液冷与空冷。然而，结构设计又在生热、传热及散热三个过程中起着至关重要的作用，是后续设计的基础。近几十年来，通过提供各种几何结构的散热器进而提高其冷却性能的研究已得到了广泛的发展。自然界普遍存在树状结构，如植物的根、叶、呼吸系统、河流网络等，可以说该结构是经过长期自然选择和进化后的最优解和最优结构。因此，许多研究人员在许多应用中开展了对树状结构流动和换热性能的研究，如冷板、翅片散热器及热交换器等。有趣的是，许多研究发现通过拓扑优化设计获得的结构(概念设计方法)具有树状结构，进一步证明了该种结构在提高传热性能方面的优势。在树状结构的精细设计中，为提高散热器的传热性能，大部分的研究集中在T型、Y型或T
‑
Y混合型的树状通道。研究的树状特征主要为分支角、分支长度、分支层、分支数目以及相应的横截面形状和尺寸。然而，值得反思的是，随着热管理需求不断地增加，这些固定形式限制了进一步探索树状结构在提高冷却性能的潜力。
[0003]现有技术存在以下缺点：
[0004]1.现有树状通道设计与分析仅集中在二维构型，再通过简单拉伸获取三维构型。
[0005]2.其设计过程严重依赖设计者经验、灵感，整个设计过程时间成本较高，并且所获取的设计是否为最优通常需要长时间的讨论与优化。
[0006]3.大部分设计仅局限于树状分支角度、分支长度、分支数目及分支水平，涉及到的几何特征有限，这弱化了几何结构对传热性能增强的潜力，且获得的设计传统且换热效率有限。
[0007]4.对应几何特征通常设置为固定值，尽管某些设计对几何特征进行了优化，然而固定形式与尺寸不利于树状结构对传热规律进一步探索并提升其性能。
[0008]5.由于设计方法局限，传统树状流道一直倾向于设计方形通道，其他截面形式较少涉及。
[0009]6.传统树状结构设计通常并未引入纵向波与横向波提升冷板传热性能。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是提供树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法。释放了几何结构形式与尺寸对传热性能的约束，以指定平面的最小平均温度与最小温度均方根为目标，通过优化技术布局树状流道冷板的结构分布从而进一步提高散热性能。
[0011]本专利技术所采用的技术方案为：树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法，包括如下步骤：
[0012](1)根据现场电子设备的配置状况，确定功率器件的表面热流密度和冷板外形尺寸及流道出入口位置；
[0013](2)根据确定的热流密度与外形尺寸，确定流道出入口几何尺寸参数、传热属性参数、流动属性参数以及散热系统材料属性；
[0014](3)根据确定的冷板外形尺寸，通过旋转与平移矩阵参数化构建树状流道骨架；
[0015](4)根据确定的骨架，确定分支层之间的基本拓扑关系；
[0016](5)根据确定的分支层拓扑关系，将每个分支长度分为三部分，并进一步将各长度归一化处理；
[0017](6)根据归一化后的分支各部分，分别构建位于各分支中的分支层间与分支层内的几何与拓扑关系，同时包括通道模式、通道截面以及通道扭转；
[0018](7)根据确定树状流道模型，进一步参数化构建树状流道与平行流道的联结部分；
[0019](8)根据工程需求，构建优化框架的设计变量，包括表征通道模式的三次B样条函数的控制系数；包括表征通道截面以及通道扭转的伯恩斯坦函数的控制系数；还包括树状几何特征变量控制参数；构建优化框架的目标函数，分别以最小化冷板上下表面的平均温度与温度均方根作为优化冷板整体性能与温度分布均匀性的指标；
[0020](9)根据形状优化模型，施加边界条件，建立具有树状与平行通道的冷板有限元模型；
[0021](10)根据冷板的有限元模型，采用非支配排序遗传算法II优化目标函数，获得改进后的冷板及功率器件表面的温度分布。
[0022]本专利技术所采用的技术方案的特点还在于：
[0023]进一步，步骤(1)和(2)中，所述冷板外形尺寸包括长L、宽W、高H；出入口几何尺寸参数包括入口直径D
in
和D
out
；所述传热属性参数包括入口流体问题T
in
、外部墙壁的绝热边界、离散热源Q；所述流动属性参数包括入口流速U
in
和出口压力P
out
；所述散热系统材料有固体材料铝6061
‑
T6、液体运输工质水，其属性包括：固体导热率k
s
、流体导热率k
f
、流体定压比热容C
p
和流体密度ρ。
[0024]进一步，步骤(3)中通过旋转与平移矩阵参数化构建树状流道骨架，其拟合在XOY平面内进行，Z为高度方向；其旋转与平移矩阵为公式(1)：
[0025][0026]其中，t和θ是构建树状骨架与后续建模的参数变量；第1项中的X(t，θ)、Y(t，θ)、Z(t，θ)是对应几何特征在全坐标系下的空间位置，几何特征包括点、线、面，无参数变量时为点，一个参数变量时为线，两个参数变量时为面；第2项和第3项是在局坐标系下，即第4项几何特征的空间位置x(t，θ)、y(t，θ)、z(t，θ)旋转到全坐标的空间参数，其中第2项为绕Z轴旋
转，是其旋转量，第3项为绕Y轴旋转，是其旋转量；第5项为局部到全局的平移量。构建树状骨架时，由于在XOY面内操作，因此需要移除第3项，并且骨架为线特征，参数变量仅保留t。
[0027]进一步，步骤(4)中，根据公式(2)确定分支层之间的基本拓扑关系：
[0028][0029]其中，m表示树状流道的第m个分支层，P
m
表示该分支层内第P
m
个分支；和分别表示第m个分支层第P
m
个分支的通道直径与第m+1个分支层第P
m+1
个分支的通道直径；和分别表示第m个分支层第P
m
个分支的末端截断距离和第m+1个分支层第P
m+1
个分支的首端截断距离；表示第m个分支层第P
m
个分支在末端的分叉角度为
[0030]进一步，步骤(5)中，将每个分支长度分为三部分，并进一步将各长度归一化处理，其表达式为公式(3)：
[0031][0032]其中，w是归一化后代替的新参数变量；t
a
、t
b
及t
c
分别表示分段1、分段2以及分段3在新参数变量代替原本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据现场电子设备的配置状况，确定功率器件的表面热流密度和冷板外形尺寸及流道出入口位置；(2)根据确定的热流密度与外形尺寸，确定流道出入口几何尺寸参数、传热属性参数、流动属性参数以及散热系统材料属性；(3)根据确定的冷板外形尺寸，通过旋转与平移矩阵参数化构建树状流道骨架；(4)根据确定的骨架，确定分支层之间的基本拓扑关系；(5)根据确定的分支层拓扑关系，将每个分支长度分为三部分，并进一步将各长度归一化处理；(6)根据归一化后的分支各部分，分别构建位于各分支中的分支层间与分支层内的几何与拓扑关系，同时包括通道模式、通道截面以及通道扭转；(7)根据确定树状流道模型，进一步参数化构建树状流道与平行流道的联结部分；(8)根据工程需求，构建优化框架的设计变量，包括表征通道模式的三次B样条函数的控制系数；包括表征通道截面以及通道扭转的伯恩斯坦函数的控制系数；还包括树状几何特征变量控制参数；构建优化框架的目标函数，分别以最小化冷板上下表面的平均温度与温度均方根作为优化冷板整体性能与温度分布均匀性的指标；(9)根据形状优化模型，施加边界条件，建立具有树状与平行通道的冷板有限元模型；(10)根据冷板的有限元模型，采用非支配排序遗传算法II优化目标函数，获得改进后的冷板及功率器件表面的温度分布。2.根据权利要求1所述的树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法，其特征在于，步骤(1)和(2)中，所述冷板外形尺寸包括长L、宽W、高H；出入口几何尺寸参数包括入口直径D
in
和D
out
；所述传热属性参数包括入口流体问题T
in
、外部墙壁的绝热边界、离散热源Q；所述流动属性参数包括入口流速U
in
和出口压力P
out
；所述散热系统材料有固体材料铝6061
‑
T6、液体运输工质水，其属性包括：固体导热率k
s
、流体导热率k
f
、流体定压比热容C
p
和流体密度ρ。3.根据权利要求2所述的树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法，其特征在于，步骤(3)中，所述通过旋转与平移矩阵参数化构建树状流道骨架，其拟合在XOY平面内进行，Z为高度方向；其旋转与平移矩阵为公式(1)：其中，t和θ是构建树状骨架与后续建模的参数变量；第1项中的X(t，θ)、Y(t，θ)、Z(t，θ)是对应几何特征在全坐标系下的空间位置，几何特征包括点、线、面，无参数变量时为点，一个参数变量时为线，两个参数变量时为面；第2项和第3项是在局坐标系下，即第4项几何特征的空间位置x(t，θ)、y(t，θ)、z(t，θ)旋转到全坐标的空间参数，其中第2项为绕Z轴旋转，是其旋转量，第3项为绕Y轴旋转，是其旋转量；第5项为局部到全局的平移量；构建树状骨架时，由于在XOY面内操作，因此需要移除第3项，并且骨架为线特征，参数变量仅
保留t。4.根据权利要求3所述的树状冷板通道自由型面建模与优化设计方法，其特征在于，步骤(4)中，根据公式(2)确定分支层之间的基本拓扑关系：骤(4)中，根据公式(2)确定分支层之间的基本拓扑关系：骤(4)中，根据公式(2)确定分支层之间的基本拓扑关系：其中，m表示树状流道的第m个分支层，P
m
表示该分支层内第P
m
个分支；和分别表示第m个分支层第P
m
个分支的通道直径与第m+1个分支层第P
m+1
个分支的通道直径；和分别表示第m个分支层第P
m
个分支的末端截断距离和第m+1个分支层第P
m+1
个分支的首端截断距离；表示第m个分支层第P
m
个分支在末端的分叉角度为5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：田锡威，王伟，孙晨，钱思浩，保宏，王从思，蔡艳召，李鹏，王猛，徐文华，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：