【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于热管理，尤其涉及一种异形微通道换热器结构及其设计方法。
技术介绍
1、随着精密加工技术的不断发展，能源转换元件不断朝着小型和高功率密度的趋势发展，这使热管理技术变得十分重要。具有优秀的换热性能的微通道换热器被广泛应用于微电子、燃料电池、动力电池、热电发电机，光伏系统，车辆空调等具有空间限制和高热流密度需求的领域，其能够实现对工作器件的充分冷却。
2、在微通道换热器中，冷却剂首先通过入口集管分流进入各个微通道再汇入到出口集管,最后从出口集管流出，因此集管一方面负责容纳从进口进入和从出口流出的冷却剂，另一方面引导冷却剂的流动，使其在微通道的作用下可以更均匀地分配和汇集。微通道换热器集管的结构设计、制造公差以及集管和冷却剂进、出口位置的匹配关系等因素都会在不同程度上影响微通道内冷却剂的流动情况，进而导致流动不均匀现象的发生。流动不均匀现象是指不同微通道内的冷却剂流速差异较大，其不仅会导致微通道换热器的传热恶化，进而使待冷却器件出现局部热点，还可能会导致冷却剂结冰或者加速污垢积累，影响微通道换热器的正常运行。目前改进微通道换热器流动不均匀现象的主要途径是优化集管的形状和尺寸以及冷却剂的进出口位置，且已有很多学者进行了大量的实验与数值模拟的研究工作，但是微通道换热器的流动不均匀性问题依然普遍存在。
3、目前传统的集管形状主要包括矩形、三角形、梯形等，这些集管形状的控制参数主要为边长以及夹角，从理论上来讲无法充分对微通道换热器的流场与温度场实现充分的调控，因此无法充分预防上述的速度分布不均匀与温度分布不
4、从理论上来说，微通道换热器集管可变的结构参数越多，在针对某一工况进行结构设计时就存在更大的优化空间，但是增多结构参数的同时也会带来参数之间的交叉作用，例如对于拥有底角和底边边长两个结构参数的传统三角形集管，其集管内的流场分布受底角和底边边长的共同影响，存在某一底角和底边边长的最优组合而非单一的最优底角与最优底边边长。因此随着微通道换热器结构参数数量的增多，其结构参数的组合方式将会呈现出指数型的增长，这为最优组合的确定带来了极大的困难，所以采用传统的实验与数理统计方法几乎不可能实现对微通道换热器集管结构的优化。
5、近几年来机器学习技术与工程实际应用的结合为许多领域的发展带来了新的可能性，如果能够通过建立代理模型来评估微通道换热器的流动均匀性，温度均匀性与微通道换热器集管结构的关系，那么就可以避免不必要的实验或计算，再通过与智能优化算法结合，如遗传算法和粒子群算法，在不进行大量实验的情况下实现数值优化，从而可以在消耗较少计算资源和实验资源的情况下，对集管进行充分参数化表征与优化，有效改善微通道换热器的流动均匀性与温度均匀性。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种异形微通道换热器结构与其设计方法，使其与具有传统集管结构的微通道换热器相比拥有更优秀的流动均匀性与温度均匀性，实现待冷却器件的均匀冷却，确保整个系统可以安全高效地运行。
2、为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种异形微通道换热器结构的设计方法，包括以下步骤：
3、s1，根据热源尺寸确定微通道区域尺寸，微通道换热器基板尺寸与进出口集管固定点的横向取值范围，再结合热源功率确定冷却剂的流量；
4、s2，选定冷却剂入口与出口结构参数的种类与数量，确定微通道入口集管与出口集管的固定点数量，同时设定通道截面，并确定其结构参数的种类与数量；
5、s3，利用随机抽样方法在设定的尺寸范围内进行均匀抽样，样本为所有结构参数的组合，抽样的样本数量大于结构参数数量的15倍；
6、s4，根据每一样本的结构参数确定微通道换热器的固体域与冷却剂的流体域；
7、s5，在确定固体域与冷却剂的流体域边界条件后，采用动量方程和连续性方程描述流体域的流动分布，采用能量方程描述固体和流体的温度分布；
8、s6，利用s5中的方程采用计算流体力学的方法对所有样本的流动分布和温度分布进行计算；
9、s7，利用目标函数评价每一个样本的流动不均匀性与温度不均匀性，使每一个结构参数组合都对应唯一的目标函数值，获得具有结构参数与目标函数值的完整样本库；
10、s8，利用机器学习算法，将样本的结构参数组合作为输入参数，样本的目标函数值作为输出参数进行训练，生成相应的代理模型，获取样本结构参数组合与目标函数值之间的函数关系；
11、s9，利用寻优算法，在设定的结构参数范围内对步骤8中得到的函数关系以目标函数值最小为目标进行寻优，获得最优的结构参数组合；
12、s10，采用计算流体力学的方法对输出的最优结构参数组合样本的流动分布和温度分布进行验证计算，并用目标函数对其流动不均匀性与温度不均匀性进行验证评估，如果验证成功则输出结构参数，否则将获得的结构参数与其目标函数值作为新的样本加入s7中的样本库中，并重复s7之后的步骤直至输出最优结构参数。
13、进一步的，连续性方程如式(1)所示：
14、
15、动量方程如式(2)所示：
16、
17、流体域能量方程如式(3)所示：
18、
19、入口边界条件如式(4)与式(5)所示：
20、u＝uin (15)
21、t＝tin (16)
22、出口边界条件如式(6)所示：
23、p＝0 (17)
24、加热壁面边界条件如式(7)所示：
25、
26、绝热壁面边界条件如式(8)所示：
27、
28、其中，v为体积；ρ为流体的密度；p为压力；u和uin为速度与入口速度；t，tin，tw为温度，入口温度与壁面温度；cp为定压比热容；kw为导热系数。
29、进一步的，目标函数体现微通道换热器设计域内的流动分布与温度分布，用于评估流动不均匀性与温度不均匀性，使优化设计的目标具体体现为微通道换热器各通道中冷却剂的平均流动速度接近，同时微通道换热器的温度分布均匀且不存在局部的热点与热区，如式(9)所示：
30、
31、其中，n为微通道的数量；umin为流速最低的微通道的流速；ui为第i个微通道的流速。
32、流动不均匀性用式(10)来评估：
33、
34、其中，uave为所有微通道的平均流速。
35、热阻用式(11)来评估：
36、
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1.一种异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，连续性方程如式(1)所示：
3.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，目标函数体现微通道换热器设计域内的流动分布与温度分布，用于评估流动不均匀性与温度不均匀性，使优化设计的目标具体体现为微通道换热器各通道中冷却剂的平均流动速度接近，同时微通道换热器的温度分布均匀且不存在局部的热点与热区，如式(9)所示：
4.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，冷却剂采用去离子水、液态金属、纳米流体或有机冷却液体。
5.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，冷却剂入口截面采用矩形、圆形截面或采用锥形截面，其截面尺寸与深度尺寸根据其形状的不同由相应的结构参数所确定，其位置分布由其到两侧边线的距离参数所确定。
6.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，入口集管的边线采用样条曲线，具体形状由曲线样式与边线上
7.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，微通道的截面形状采用矩形、圆形、半圆形、三角形或采用函数化表示的光滑曲线所确定的异形截面；当采用异形截面时，微通道肋的左右边线由所选曲线样式与固定点确定，边线的固定点数量最少为3个，根据实际的计算资源确定其具体数量，固定点沿纵向均匀分布在微通道肋的左右边线上，其横向位置由其到微通道截面中线的最短距离所确定，根据实际的计算资源，不同的微通道肋采用相同的边线或针对部分位置的微通道肋进行针对性的优化。
8.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，微通道换热器基板上的受热面的大小与微通道分布区域的大小相同，且受热面的尺寸要大于或者等于热源尺寸，即与待冷却器件接触面的尺寸；微通道换热器基板与微通道肋的材质采用铜、铝或硅；异形微通道换热器基板采用线切割或刻蚀等加工方式进行加工。
9.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，出口集管的边线采用入口集管的边线经中心对称变换之后的形状或效仿入口集管边线采用新的固定点进行确定。
10.一种异形微通道换热器，其特征在于，包括冷却剂入口(11)、入口集管(12)、微通道(13)、微通道肋(16)、微通道换热器基板(1)、受热面(18)、出口集管(14)、冷却剂出口(15)以及上盖板(3)；冷却剂入口(11)、入口集管(12)、微通道(13)、出口集管(14)和冷却剂出口(15)依次连通，微通道肋(16)设置在微通道换热器基板(1)上，相邻微通道肋(16)之间形成微通道(13)；上盖板(3)与微通道换热器基板(1)的一面以及微通道肋(16)紧密连接；入口集管(12)和出口集管(14)为异形通道，微通道换热器基板(1)的另一面用于连接待冷却器件(2)；所述异形微通道换热器的结构参数基于权利要求1-9任一项所述设计方法得到。
...【技术特征摘要】
1.一种异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，连续性方程如式(1)所示：
3.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，目标函数体现微通道换热器设计域内的流动分布与温度分布，用于评估流动不均匀性与温度不均匀性，使优化设计的目标具体体现为微通道换热器各通道中冷却剂的平均流动速度接近，同时微通道换热器的温度分布均匀且不存在局部的热点与热区，如式(9)所示：
4.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，冷却剂采用去离子水、液态金属、纳米流体或有机冷却液体。
5.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，冷却剂入口截面采用矩形、圆形截面或采用锥形截面，其截面尺寸与深度尺寸根据其形状的不同由相应的结构参数所确定，其位置分布由其到两侧边线的距离参数所确定。
6.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，入口集管的边线采用样条曲线，具体形状由曲线样式与边线上的固定点确定，边线上的固定点数量最少为3个，固定点沿纵向均匀地分布在入口集管的边线上，其横向位置由其到微通道的最短距离所确定。
7.根据权利要求1所述的异形微通道换热器结构的设计方法，其特征在于，微通道的截面形状采用矩形、圆形、半圆形、三角形或采用函数化表示的光滑曲线所确定的异形截面；当采用异形截面时，微通道肋的左右边线由所选曲线样式与固定点确定，边线的固定点数量最少为...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵钦新，王宗一，邵怀爽，邓世丰，梁志远，王云刚，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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