水平波状通道自由建模与优化设计方法技术

本发明专利技术公开的水平波状通道自由建模与优化设计方法，采用三次样条函数表征振幅、小波函数表征波长、截断函数表征波形，并通过有理Bernstein

【技术实现步骤摘要】
水平波状通道自由建模与优化设计方法


[0001]本专利技术属于高功率电子液冷散热器方法
，具体涉及一种水平波状通道自由建模与优化设计方法。

技术介绍

[0002]随着电子行业的不断发展，高增益、高密度、小型化的电子设备已经成为目前发展的主要趋势。电子热管理问题作为一个必不可少的环节，受到了广泛的关注。近年来，为了满足散热需求，需要研究高效、快速的冷却系统，以提高传热效率。目前，广泛采用空冷作为主要的冷却方式。然而，由于空气的低热导率和热容，这种散热器对于小尺寸的高功率电子设备并不适用，因此需要另辟蹊径。液冷散热器与空气相比具有更优越的性能，其根据流体流动和传热特性的不同策略将被应用于不同的冷板结构设计中。冷板整体设计中存在着各种不同的流道形式和截面形状，流道形式包括蛇形、平行、树状、收敛或发散流道，截面形状有圆形、矩形、三角形等。已有的研究表明，采用横向扰动构型的通道可以被视为涡流发生器，如构建空腔、添加机翼(肋或鳍)、使用扭带、设计波纹微通道等。这些方法可以诱导横向和纵向涡的产生，重新发展流体流动，从而提高传热系数。尤其是对于波状通道，近年来的相关研究不断增加，波纹通道在传热性能方面表现出优越性，主要是由于回流区和二次流的存在重新混合流体流动，重新发展了热边界层，从而提高了换热能力。此外，通过增加波纹度，波纹通道可以显著增加紧凑空间中的传热面积，其几何特征包括振幅、波长、波形和截面形状及尺寸，这些几何特征的不同排列方式会导致回流区的形状和大小以及强度的变化。因此，在对波状通道进行重新分析时，需要考虑不同的工况和应用场合，以确定波纹通道的几何分布和尺寸对冷板设计的影响。而现有技术存在的问题有：1)目前的水平波状通道设计仅集中在二维构型，再通过简单拉伸获取三维波状构型。2)波状通道的几何特征为固定的形式与尺寸，其不利于进一步探索其传热规律和提高散热性能。3)由于大多数设计所涉及的局部结构特征是有限的，这会弱化几何结构对于传热性能增强的潜力，并且获得的设计结果较为传统且换热效率受限。4)其设计过程依赖于设计者的经验和灵感，整个设计过程最终所获得的成果是否为最优化还有待进一步商榷。5.波状通道的设计涉及到多个参数的调整和优化，需要进行大量的模拟和实验研究，设计复杂度较高。6)传统固定形状尺寸的波状通道设计适用于某些特定的流体流动情况，对于其他流体流动情况的适用性较差。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种水平波状通道自由建模与优化设计方法，旨在消除固定几何结构形式与尺寸对传热性能的限制，布局了水平波状通道冷板的结构分布，提高了其散热性能。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是：水平波状通道自由建模与优化设计方法，采用三次样条函数表征振幅、小波函数表征波长、截断函数表征波形，并通过有理Bernstein
‑
B
é
zier
函数实现通道截面形状与尺寸的自由修正；在此基础上，构建水平波状通道作为冷板的基本结构，以冷板上下表面的平均温度和均方根温度为目标函数，采用NSGA
‑
II优化算法对水平波状通道进行优化，同时对设计变量进行归一化处理，最后通过TOPSIS排序法选择最佳妥协解。
[0005]本专利技术的特点还在于，包括以下步骤：
[0006]步骤1、根据现场电子设备的配置状况，确定水平波状通道冷板的外形尺寸、水力直径、受热面尺寸及流道进出口位置；
[0007]步骤2、根据确定的冷板外形尺寸确定流道出入口几何尺寸参数、根据受热面尺寸确定传热属性参数、根据水力直径与流道进出口位置确定流动属性参数，根据工程需求确定散热系统材料属性；
[0008]步骤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基于有理Bernstein
‑
B
é
zier函数任意截面形状的初始直通道；
[0009]步骤4、根据初始直通道，基于波状通道的任意形状参数化建模方法，构建水平波状通道的振幅、波长、波形的几何特征；
[0010]步骤5、根据水平波状通道，基于共轭传热控制方程建立冷板有限元模型；
[0011]步骤6、根据冷板有限元模型，执行网格独立性检验，验证数值模型的可靠性；
[0012]步骤7、对几何特征所对应的振幅、波长、波形以及截面形状和尺寸四个设计变量进行归一化处理；
[0013]步骤8、根据工程需求，构建优化框架的设计变量，包括表征振幅的三次样条函数的控制系数、表征波长的小波函数、表征波形的截断函数和表征通道截面以及通道扭转的伯恩斯坦函数的控制系数；构建优化框架的目标函数，包括最小化冷板顶部和底部的平均温度和均方根温度；
[0014]步骤9、采用NSGA
‑
II优化算法优化步骤8所得优化框架的目标函数，获得优化后的冷板和功率器件的温度分布；
[0015]步骤10、根据优化后的冷板和功率器件的温度分布的数值解，通过TOPSIS排序法选择最佳妥协解。
[0016]步骤2中，冷板外形尺寸包括长L、宽W、高H；水力直径D；受热面尺寸为W
h
×
L
h
；所述传热属性参数包括入口流体温度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。
[0017]步骤3中，通过旋转与平移矩阵参数化构建初始直通道架构，其拟合在XOY平面内进行，Z为其高度方向。
[0018]步骤4中，通过研究振幅、波长、波形和截面形状及尺寸这四个设计变量，初步确定水平波状通道模型的基本架构。
[0019]步骤5中，建立共轭传热的控制方程，定义边界条件。
[0020]步骤6中，对网格独立性进行检验，采用非结构化四面体网格对有限元模型进行网格划分。
[0021]步骤7中，对水平波状通道的设计变量进行归一化处理，从而进一步得到水平波状通道的模型架构。
[0022]步骤8中，建立关于设计变量、目标函数及约束的优化框架。
[0023]步骤9中，采用非支配排序遗传算法II(NSGA
‑
II)，设置对应的种群数P和迭代数G，并设置相关的收敛准则。
[0024]步骤10中，通过与理想方案相似性排序偏好技术(TOPSIS)方法选择最佳妥协解，对所优化后的模型进行进一步讨论。
[0025]本专利技术的有益效果是：
[0026]1)本专利技术可以有效地针对水平波纹结构模型进行自由建模，同时考虑了振幅、波长、波形和截面形状及尺寸四个设计变量，克服了固定几何尺寸和形状的限制，实现了自由型面的设计。
[0027]2)本专利技术考虑到采用三次样条函数表征本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水平波状通道自由建模与优化设计方法，其特征在于，采用三次样条函数表征振幅、小波函数表征波长、截断函数表征波形，并通过有理Bernstein
‑
B
é
zier函数实现通道截面形状与尺寸的自由修正；在此基础上，构建水平波状通道作为冷板的基本结构，以冷板上下表面的平均温度和均方根温度为目标函数，采用NSGA
‑
II优化算法对水平波状通道进行优化，同时对设计变量进行归一化处理，最后通过TOPSIS排序法选择最佳妥协解。2.如权利要求1所述的水平波状通道自由建模与优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据现场电子设备的配置状况，确定水平波状通道冷板的外形尺寸、水力直径、受热面尺寸及流道进出口位置；步骤2、根据确定的冷板外形尺寸确定流道出入口几何尺寸参数、根据受热面尺寸确定传热属性参数、根据水力直径与流道进出口位置确定流动属性参数，根据工程需求确定散热系统材料属性；步骤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基于有理Bernstein
‑
B
é
zier函数任意截面形状的初始直通道；步骤4、根据初始直通道，基于波状通道的任意形状参数化建模方法，构建水平波状通道的振幅、波长、波形的几何特征；步骤5、根据水平波状通道，基于共轭传热控制方程建立冷板有限元模型；步骤6、根据冷板有限元模型，执行网格独立性检验，验证数值模型的可靠性；步骤7、对几何特征所对应的振幅、波长、波形以及截面形状和尺寸四个设计变量进行归一化处理；步骤8、根据工程需求，构建优化框架的设计变量，包括表征振幅的三次样条函数的控制系数、表征波长的小波函数、表征波形的截断函数和表征通道截面以及通道扭转的伯恩斯坦函数的控制系数；构建优化框架的目标函数，包括最小化冷板顶部和底部的平均温度和均方根温度；步骤9、采用NSGA
‑
II优化算法优化步骤8所得优化框架的目标函数，获得优化后的冷板和功率器件的温度分布；步骤10、根据优化后的冷板和功率器件的温度分布的数值解，通过TOPSIS排序法选择最佳妥协解。3.如权利要求2所述的水平波状通道自由建模与优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中，冷板外形尺寸包括长L、宽W、高H；水力直径D；受热面尺寸为W
h
×
L
h
；传热属性参数包括入口流体温度T
in
、外部墙壁的绝热边界、离散热源Q；流动属性参数包括入口流速U
in
和出口压力P
out
；散热系统材料有固体材料铝6061
‑
T6和液体运输工质水，散热系统材料属性包括：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。4.如权利要求2所述的水平波状通道自由建模与优化设计方法，其特征在于，所述步骤3具体为：基于三维笛卡尔坐标系的旋转与平移矩阵构建初始直通道，拟合在XOY平面内进行，Z为高度方向，旋转与平移矩阵为：
其中，项1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；项2和项3表示在局坐标系下即项4所建立的几何特征空间位置x(t,θ)、y(t,θ)、z(t,θ)，项2为绕Z轴旋转，项3为绕Y轴旋转；项4与截面形状和尺寸有关，在不同截面类型中，控制参数的含义不同；项5为局部到全局的平移量；其中，任意截面类型由有理Bernstein
‑
B
é
zier函数构造，即：其中，B
i
(t,θ)是在三点基础上建立的；基函数b
j,2
(θ)与加权系数相结合共同决定了截面的形状，用Bernstein
‑
B
é
zier函数表示为：其中，为Bernstein
‑
B
é
zier基函数；为二项式系数；为第i条弧线的中间参数控制系数；n
w
为函数的最大幂次。5.如权利要求2所述的水平波状通道自由建模与优化设计方法，其特征在于，所述步骤4具体为：在初始直通道的基础构建上水平波状通道：4具体为：在初始直通道的基础构建上水平波状通道：其中，和是在初始直通道的基础上将x(t,θ),z(t,θ)重新转换得到的；wf(t)是关于参数t的三角函数，表达式为：wf(t)＝amp(t)g(t)＝amp(t)cos(freq(t)πt)其中，freq(t)为波状通道的波长；amp(t)为波状通道的振幅，通过三次样条函数建立，表达振幅的简化三次样条函数为：其中，amp
j
为振幅的控制系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：田锡威，王伟，索文娟，孙晨，保宏，张巨勇，蔡艳召，王猛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：