【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于热传导结构优化，尤其在换热器领域中应用广泛，具体涉及一种用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法。
技术介绍
1、热传导结构优化技术是一种通过改变材料的形状、尺寸和分布等方式来优化其内部热传导性能的方法。该技术主要应用于热能工程领域。热能工程是研究热能转换和传递的科学和
，其中包括热传导、热辐射、流体力学、传热设备设计等方面。随着热交换器的换热效率提升，人们逐渐采用优化流体流动、增大表面积、改善热传递等技术手段来提高材料的热传导效率和最大化散热。这些技术旨在满足高功率电子器件、电池等设备对散热的要求，包括增大散热面积等。在热传导结构优化中，通常采用拓扑优化、形状优化、布局优化等技术实现材料结构的优化。这些优化技术可以通过改变材料的形状、孔隙率、孔隙分布等参数来调整材料的热传导性能，从而达到提高散热效率的目的。例如，通过在材料内部设置分散的热传导路径、梯度孔洞等结构，可以增加材料的表面积和有效传热面积，提高热传导效率。热传导结构优化技术已广泛应用于电子器件、汽车工程、航空航天、新能源设备等领域。利用该技术可以设计出高效的散热器、热管、热导材料等，满足高功率电子器件的散热需求；可以设计轻量化、高强度的航空航天制件，提高其耐热性能和使用寿命；可以优化电池的散热结构，提高其能量密度和安全性能。
2、现有的换热器存在诸多问题，如热介质流量不足，则换热器无法有效地将热量传递到环境中；或是换热器的表面积不足；或是换热器形状不够优化，致使管路堵塞；此外还会受到环境温度的影响。随着拓扑优化技术的快速发展，采用优化
3、现有的最新研究表明，tpms(三周期最小曲面)的多孔结构具有高强度性能和较低的流动阻力，适用于传热和传质。基于tpms结构的通道形态拓扑优化研究尚处于起步阶段，目前很少有研究考虑在tpms结构的基础上进行热流体拓扑优化，以进一步提高其优越的物理性能。
4、wang等人提出了一种基于tpms多孔结构的有效散热表示和优化方法。他们继承了tpms的优良特性，推导出了一种新的表示法，并在给定的约束条件下制定了平均温度分布，以最大限度地提高散热；然而，在优化过程中却未考虑流体流动的影响，从而使得换热器内流速和流通性受到影响。
5、modrek等人提出了一种基于固体各向同性惩罚法的多目标拓扑优化系统，该系统对热目标函数和结构目标函数进行了优化，以获得具有更好散热性能和增强结构完整性的优化结构。虽然优化后的结构具有较好的导热性能，但没有讨论结构差异对传热和刚度的影响。
技术实现思路
1、针对现有技术中忽略结构差异以及流体流动的影响，散热性不够高效的问题，本专利技术的目的是提供一种用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，该方法实现了复合材料结构的拓扑优化，提高了换热器的散热性能，并且通过大量的数值测试从定性和定量的角度证明本专利技术的方法的优越性和鲁棒性。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，包括以下步骤：
4、(1)对多个相邻的周期性的tpms结构体，进行平滑连接，形成新的tpms复合材料结构；
5、根据粘度和热导率对新的tpms复合材料结构，建立基于热流体动力学的复合材料拓扑优化结构；
6、(2)对步骤(1)的基于热流体动力学的复合材料拓扑优化结构引入能量代价泛函，建立控制方程；
7、对控制方程进行求解，获得新拓扑结构；
8、根据新拓扑结构，确定换热器的通道形状。
9、进一步的，步骤(1)中，通过插值方法进行平滑连接。
10、进一步的，步骤(1)中，粘度通过以下过程得到：
11、根据动态粘度常数和环境温度，通过下式计算粘度：
12、
13、其中，η(t)是粘度，η0是动态粘度常数，t0是环境温度，t是温度变量。
14、进一步的，步骤(1)中，根据粘度通过下式计算热导率：
15、
16、其中，t是温度变量，ω是绝热指数，pr是普朗特数，η(t)是粘度，k(t)是热导率。
17、进一步的，步骤(1)中，基于热流体动力学的复合材料拓扑优化结构具体为：
18、
19、其中，a项是stokes流的势能，f是外力；b项是动能；c项是内能，t是温度变量；d项是ginzburg-landau能量；e项是拉格朗日乘子类型的体积约束，ω为固定的lipschi区域，▽为梯度算子，u为流体速度场，α∈为相依渗透率，φ为相位，k为导热系数，γ为确定优化问题中周长约束的重要性的加权参数，∈为扩散界面厚度，β为正参数，ψ为tpms复合材料结构体，η(t)是粘度，k(t)是热导率，g(φ)＝φ2/2-φ3/3。
20、进一步的，步骤(2)中，对控制方程变分求导后建立基于crank-nicolson方法的二阶时间精确格式，再进行数值求解，得到新的拓扑结果，包括以下步骤：
21、
22、进一步的，步骤(2)中，基于crank-nicolson方法的二阶时间精确格式具体如下：
23、
24、
25、
26、
27、
28、其中，
29、进一步的，步骤(2)中，对控制方程进行求解，获得新拓扑结构，具包括以下步骤：
30、步骤1:获取tpms复合材料结构体，并初始化相位变量、速度场、压力场和温度变量；
31、步骤2:将粘度参数和热导率参数更新；
32、步骤3:在基于crank-nicolson方法的二阶时间精确格式的两边取散度算子，得到泊松型方程组；
33、步骤4:根据tpms复合材料结构体，初始化后的相位变量、速度场、压力场和温度变量，以及更新后的粘度参数和热导率参数，采用非线性全近似存储多重网格方法以及在隐式步长下的picard迭代法，求解泊松型方程组，得到新的拓扑结构。
34、进一步的，粘度参数和热导率参数通过以下公式进行更新：
35、
36、其中，为粘度参数，为热导率参数。
37、进一步的，泊松型方程组具体如下：
38、
39、
40、
41、其中，m是picard迭代的索引。
42、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
43、1.本专利技术通过构建基于热流体动力学的复合材料拓扑优化结构，这种结构不仅强调散热效率和结构连通性的最大化，还确保通道沿着恒定曲率优化，从而允许具有复杂几何形状的流体通道在基于tpms的假设下自由演化。这种自由演化允许更有效地分布热流，提高了复杂几何构造的换热器的散热性能。
44、2.本专利技术的优化方法在一个通用框架内操作，不受特定tpms结构类型、尺寸或孔隙率等物理本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，通过插值方法进行平滑连接。
3.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，粘度通过以下过程得到：
4.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，根据粘度通过下式计算热导率：
5.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，基于热流体动力学的复合材料拓扑优化结构具体为：
6.根据权利要求5所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(2)中，对控制方程变分求导后建立基于Crank-Nicolson方法的二阶时间精确格式，再进行数值求解，得到新的拓扑结果，包括以下步骤：
7.根据权利要求5所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(2)中，基于Crank-N
8.根据权利要求5所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(2)中，对控制方程进行求解，获得新拓扑结构，具包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，粘度参数和热导率参数通过以下公式进行更新：
10.根据权利要求8所述的用于通道形状设计基于TPMS的拓扑优化方法，其特征在于，泊松型方程组具体如下：
...【技术特征摘要】
1.一种用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，通过插值方法进行平滑连接。
3.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，粘度通过以下过程得到：
4.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，根据粘度通过下式计算热导率：
5.根据权利要求1所述的用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，其特征在于，步骤(1)中，基于热流体动力学的复合材料拓扑优化结构具体为：
6.根据权利要求5所述的用于通道形状设计基于tpms的拓扑优化方法，其特征在于，步...
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