【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及强化换热，尤其是涉及一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法。
技术介绍
1、热管作为一种高效的非能动传热设备，能够实现较长距离下的高效传热，兼具等温性好、设计简单、加工制造简便、结构简单、维修方便、无需泵功的优点。按照工作温度范围划分，热管分为低温热管(-273～0℃)、常温热管(0～250℃)、中温热管(250～450℃)、高温热管(450～1000℃)等，其中高温热管通常采用碱金属作为工质，因此亦称为碱金属高温热管，该类型热管主要应用于航空航天、核工程等特种用途。
2、为确保碱金属热管的可靠工作，往往需要设计相应的散热翅片，以提高换热能力，传统大多采用直翅片的方式，散热效率较低，由于碱金属换热器较高的温度导致换热工质选择空气，而空气的换热能力相对较低，因此对翅片的散热要求较高，在设计域范围内如果想增加直翅片换热效率，就需要增大直翅片的肋高或者增加直翅片的数量，这会导致流动阻力增大和材料浪费，此外，现有技术研究采用拓扑优化的方式进行翅片设计，旨在给定设计区域、负载条件和约束条件下，寻求材料分布和结构的最佳方案。将拓扑优化应用于换热器翅片的设计，尽管能够确定翅片材料的最优分布，以实现最佳性能，同时满足约束条件，但由于拓扑优化计算的翅片结构往往比较复杂，在实际应用中较难生产、且生产成本过高。在实际中，受碱金属热管的高温限制，一般换热介质会选用空气，并提高质量流量来提高换热效率，但是由于空气本身物性参数的限制，因此针对碱金属热管进行高效散热结构设计是必不可少的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，通过设计一种结构简单、易于加工的y型翅片，能够有效提高散热效率，同时有效降低材料使用和生产成本。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，包括前期拓扑优化过程和后期简化过程，所述前期拓扑优化过程是在热管简化模型的基础上，通过将设计域离散化，引入材料密度变量，并定义目标函数及约束条件，结合优化算法进行迭代拓扑优化，得到优化后的翅片形状及翅片材料的最优分布；
3、所述后期简化过程是在前期拓扑优化结果的基础上，通过测量肋根部距离及主分叉角，进一步简化得到y型翅片结构，并代入流动条件进行验证，将验证通过后的y型翅片作为最终设计的散热翅片。
4、进一步地，所述前期拓扑优化过程具体包括以下步骤：
5、a1、依据工作条件，确定热管简化模型；
6、a2、针对热管简化模型进行网格划分，以将设计域离散化；
7、a3、引入材料密度变量，并定义目标函数和约束条件；
8、a4、采用变密度法和ramp(rational approximation of material properties，有理近似法)插值的方式，对热管简化模型进行迭代优化求解，得到拓扑优化后的翅片形状以及翅片材料的最优分布。
9、进一步地，所述步骤a1的具体过程为：考虑热管冷凝段温度保持不变、忽略管内对流热阻，将热管的传热过程简化为管内为恒温的管壁及翅片导热问题及管外对流换热问题，以得到热管简化模型，包括壁面温度、外部流体温度、外部流体流速和设计域直径。
10、需要说明的是，在实际中，由于每根热管的流动条件是不同的，对于每根热管耦合流动条件进行拓扑优化的计算量是无法承受的，也会导致每根热管上的翅片结构各式各样，为后期的简化和生产带来巨大的麻烦，但是，若能够在节约材料的同时将热量尽可能传导到翅片上，则必然有助于提高总体换热效率，因此，本专利技术定义目标函数为最大化翅片的平均温度，约束条件为体积约束，即材料使用不超过约束上限，如下所示：
11、目标函数：maximum f(t(x)，x))＝∫ωt(x)dx/v；
12、约束条件：∫ωρsdv≤φ∫ωdv。
13、进一步地，所述步骤a2在对热管简化模型进行网格划分后，进一步对网格进行独立性检验，以提升网格质量。
14、进一步地，所述步骤a3引入材料密度变量具体是采用连续的[0,1]函数，以代表某个区域内材料的占比或密度，其中，0表示没有材料、1代表填充材料。
15、进一步地，所述步骤a4的具体过程为：
16、建立材料密度和材料弹性模量的关系数学模型；
17、使用ramp插值方式，对材料密度和材料弹性模量的关系数学模型进行求解，在ramp插值过程中，结合亥姆霍兹过滤方程进行密度过滤平滑，并采用双曲正切投影的方式进行投影，通过改变ramp参数β、投影斜率和投影点，迭代优化直至收敛，得到拓扑优化后的翅片形状以及翅片材料的最优分布。
18、进一步地，所述ramp插值公式为：
19、
20、其中，θp为罚材料体积因子，θmin为空隙处体积因子，θ为材料体积因子，β为惩罚因数，通过改变β来控制调整翅片的形状。
21、进一步地，所述亥姆霍兹过滤方程具体为：
22、
23、其中，θf为过滤的材料体积因子，θc为边界控制材料体积因子，rmin为过滤半径。
24、进一步地，所述双曲正切投影用于将材料密度变量限制在设定范围内，以避免出现过度离散化的结果，双曲正切投影函数具体为：
25、
26、其中，m为投影斜率，θm为投影点，投影点决定了双曲正切函数的水平平移，通过调整投影点，以控制在哪个密度值附近产生剪切效应；投影斜率则影响在投影点附近的密度变化速率，即决定了双曲正切函数在投影点附近的陡峭程度，通过调整投影斜率和投影点，以适应不同的换热情况。
27、进一步地，所述后期简化过程具体包括：
28、将前期拓扑优化结果导入cad软件，进行几何重构，在这个过程中初步去除尖锐边界；
29、由于拓扑优化生成的树状翅片各不相同，在生产过程中应尽量保证翅片形状一致以降低生产成本，因此寻找拓扑优化结果中肋根部宽度大于预设宽度阈值、主分叉角大于预设角度阈值的翅片，测量其肋根部到分叉处距离，并测量主分叉角大小，以这些数据为基础，确定翅片的几何形状，并根据肋根部宽度，确定每根换热管上y型翅片的数量，再根据圆心角进行等间隔平均布置。
30、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
31、本专利技术设计前期拓扑优化过程和后期简化过程，在前期拓扑优化过程中，依据工作条件、确定简化模型，之后进行设计域的离散化，并引入材料密度变量、定义目标函数及确定约束条件，结合优化算法进行迭代拓扑优化，以得到优化后的翅片形状及翅片材料的最优分布，由此通过优化材料的拓扑布局，能够有效提高散热效率，减少翅片的材料使用，从而降低成本并减少资源浪费；在后期简化过程中，则在拓扑优化结果的基础上，通过测量肋根部距离及主分叉角，进一步确定简化后y型翅片结构，从而对经过拓扑优化后的翅片进行简化，在继承拓扑优化的优势的同时降低本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，包括前期拓扑优化过程和后期简化过程，所述前期拓扑优化过程是在热管简化模型的基础上，通过将设计域离散化，引入材料密度变量，并定义目标函数及约束条件，结合优化算法进行迭代拓扑优化，得到优化后的翅片形状及翅片材料的最优分布；
2.根据权利要求1所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述前期拓扑优化过程具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述步骤A1的具体过程为：考虑热管冷凝段温度保持不变、忽略管内对流热阻，将热管的传热过程简化为管内为恒温的管壁及翅片导热问题及管外对流换热问题，以得到热管简化模型，包括壁面温度、外部流体温度、外部流体流速和设计域直径。
4.根据权利要求2所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述步骤A2在对热管简化模型进行网格划分后，进一步对网格进行独立性检验，以提升网格质量。
5.根据权利要求2所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在
6.根据权利要求5所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述步骤A4的具体过程为：
7.根据权利要求6所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述RAMP插值公式为：
8.根据权利要求7所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述亥姆霍兹过滤方程具体为：
9.根据权利要求8所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述双曲正切投影用于将材料密度变量限制在设定范围内，以避免出现过度离散化的结果，双曲正切投影函数具体为：
10.根据权利要求1所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述后期简化过程具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，包括前期拓扑优化过程和后期简化过程，所述前期拓扑优化过程是在热管简化模型的基础上，通过将设计域离散化，引入材料密度变量，并定义目标函数及约束条件，结合优化算法进行迭代拓扑优化，得到优化后的翅片形状及翅片材料的最优分布；
2.根据权利要求1所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述前期拓扑优化过程具体包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述步骤a1的具体过程为：考虑热管冷凝段温度保持不变、忽略管内对流热阻，将热管的传热过程简化为管内为恒温的管壁及翅片导热问题及管外对流换热问题，以得到热管简化模型，包括壁面温度、外部流体温度、外部流体流速和设计域直径。
4.根据权利要求2所述的一种应用于碱金属热管的散热翅片优化设计方法，其特征在于，所述步骤a2在对热管简化模型进行网格划分后，进一步对网格进行独立性检验，以提升网格质量。<...
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