[發(fā)明專利]一種電力電子集成模塊冷板液流通道的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611012633.X
• 申請(qǐng)日: 2016-11-17
• 公開（公告）號(hào): CN106777476B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李寶童;洪軍;劉國光;葛柳華;閆素娜
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種電力電子集成模塊冷板液流通道的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)冷板液流通道自適應(yīng)生長的初始化：

1.1)生長區(qū)域的構(gòu)建：根據(jù)實(shí)際待優(yōu)化的散熱問題劃定設(shè)計(jì)域，建立設(shè)計(jì)域的有限元模型，將該有限元模型稱為基結(jié)構(gòu)；根據(jù)設(shè)計(jì)域內(nèi)熱量的產(chǎn)生和傳導(dǎo)情況，對(duì)基結(jié)構(gòu)施加熱載荷邊界條件；

1.2)生長參數(shù)的初始化：對(duì)冷板液流通道自適應(yīng)生長的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，參數(shù)包括流體圓管的內(nèi)外半徑r_i與r_e，管內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)λ_l，管壁自身的導(dǎo)熱系數(shù)λ_s，流體散熱圓管的用量體積上限V_max，冷板液流通道的生長步長L_g；

除以上參數(shù)外，還需對(duì)冷板液流通道的生長點(diǎn)進(jìn)行初始化；根據(jù)給定的熱載荷邊界條件，設(shè)定一個(gè)或多個(gè)初始生長點(diǎn)；冷板液流通道由初始生長點(diǎn)開始生長，并且隨著生長，生長點(diǎn)的位置不斷更新；

2)冷板液流通道的自適應(yīng)生長策略：

2.1)冷板液流通道熱剛度矩陣K_e的構(gòu)造：

冷板液流通道中的流體與通道自身在布局設(shè)計(jì)時(shí)作為整體進(jìn)行考慮，采用等效法，冷板液流通道的散熱效果用固體高導(dǎo)熱材料來代替，以此來實(shí)現(xiàn)冷板液流通道熱剛度矩陣的構(gòu)造；

冷板液流通道的等效導(dǎo)熱系數(shù)λ_e：

以高導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)來描述冷板液流通道的導(dǎo)熱能力，即高導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)即為冷板液流通道的等效導(dǎo)熱系數(shù)，表達(dá)式為：

其中：r_i是流體圓管內(nèi)壁半徑；r_e是流體圓管外壁半徑；λs是固體管壁的導(dǎo)熱系數(shù)；h是對(duì)流換熱系數(shù)，為表征冷板液流通道流固界面處熱量交換強(qiáng)度的參數(shù)，h的取值與管內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)、流速及流固界面的粗糙度有關(guān)，即：

h＝g(λ_l，v_max，R) (2)

其中：λ_l是通道內(nèi)流體的導(dǎo)熱系數(shù)；v_max是通道橫截面內(nèi)流體流速的最大值；R是表征冷板液流通道內(nèi)流固界面處的粗糙度的參數(shù)；

假設(shè)在圓管內(nèi)流動(dòng)的流體遵循泊肅葉定律，則簡化了通道內(nèi)流體流動(dòng)的控制方程；

其中，Q為流量體積流率，ΔP為圓管兩端的壓降，η為流體的粘滯系數(shù)，L為通道的軸向長度，r為通道的半徑；

流場速度在軸線上取得最大值，假設(shè)液流通道軸線方向的壓力梯度恒定，即為常數(shù)，則：

進(jìn)而冷板液流通道的熱剛度矩陣為：

其中，L_e是流體液流通道的軸向長度；

2.2)生長方向的確定：

利用有限單元法計(jì)算設(shè)計(jì)域在熱載荷邊界條件下的溫度場，穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的有限元方程表達(dá)為：

KT_b＝F (6)

冷板液流通道與基結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行溫度場計(jì)算，因此K為包含了基結(jié)構(gòu)及液流通道的整體熱剛度矩陣；T_b和F分別是基結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)溫度向量和節(jié)點(diǎn)載荷向量；

應(yīng)用連續(xù)溫度場插值的數(shù)值處理方法，將液流流體通道對(duì)基結(jié)構(gòu)的影響通過基結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)溫度插值表達(dá)，突破了基結(jié)構(gòu)對(duì)冷板液流通道布局的束縛,具體描述如下：

設(shè)計(jì)域內(nèi)任意一點(diǎn)的溫度由基結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)溫度插值得到，如下式所示：

其中，s是設(shè)計(jì)域內(nèi)任意一點(diǎn)的位置坐標(biāo)，w_i是第i個(gè)插值函數(shù)，α_i是相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，N是基結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；

利用式(7)插值得到的基結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的溫度值應(yīng)等于其真實(shí)值T_b，即：

其中，是基結(jié)構(gòu)上第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，w_i是該節(jié)點(diǎn)的第i個(gè)插值函數(shù)，α_i是相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，N是基結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，[]_NX1表示N乘1的矩陣，公式左側(cè)T_b表示真實(shí)溫度值，而右側(cè)為利用式(7)計(jì)算得到的插值結(jié)果；

利用式(7)計(jì)算某一冷板液流通道單元的節(jié)點(diǎn)溫度向量為：

T_c＝[α_iw_i(s_j)]_2X1 (i＝1,2…N；j＝1,2) (9)

其中，s_j是液流通道單元上第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，w_i是該節(jié)點(diǎn)的第i個(gè)插值函數(shù)，α_i是相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，N是基結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)，[]_2X1表示2乘1的矩陣；

由式(8)、(9)得：

T_c＝CT_b (10)

其中，矩陣C為：

考慮僅有冷板液流通道的熱傳導(dǎo)控制方程的有限元形式：

K_eT_c＝F_c (12)

其中，K_e由步驟2.1)中計(jì)算得到；

將式(10)代入式(12)，并在等式兩邊左乘矩陣C^T得：

C^TK_eCT_b＝C^TF_c (13)

由式(13)得冷板液流通道在全局坐標(biāo)系下的等效熱傳導(dǎo)矩陣：

K_ceq＝C^TK_eC (14)

那么，包含冷板液流通道和基結(jié)構(gòu)的整體熱剛度矩陣K為：

K＝C^TK_eC+K_b (15)

其中，K_b是基結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；

通過連續(xù)溫度場插值的數(shù)值處理方法，將冷板液流通道的節(jié)點(diǎn)溫度表示為基結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)溫度的加權(quán)；每個(gè)基結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的溫度所占的權(quán)重與基結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和冷板液流通道節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置及所選的插值函數(shù)有關(guān)；將冷板液流通道的等效熱剛度矩陣轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)下的等效熱剛度矩陣，從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)整體熱剛度矩陣的組裝；

以結(jié)構(gòu)整體的散熱弱度作為確定冷板液流通道生長方向的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)整體最小的散熱弱度表明結(jié)構(gòu)具有最大的散熱強(qiáng)度與可散熱性，結(jié)構(gòu)整體的散熱弱度表達(dá)式為：

D＝T_b^TKT_b (16)

冷板液流通道的生長方向的確定方法為：以生長點(diǎn)為起始點(diǎn)分別向周圍各個(gè)方向生長出固定長度L_f的冷板液流通道，然后計(jì)算冷板液流通道在不同方向時(shí)結(jié)構(gòu)整體的散熱弱度，并將散熱弱度取得最小值時(shí)的生長方向確定為冷板液流通道的最終生長方向，并將確定的生長方向以變量θ標(biāo)識(shí)；同時(shí)更新基結(jié)構(gòu)的熱剛度矩陣K_b；

新生長出的冷板液流通道的均按照步驟2.3)判斷其是否具有分叉能力；如果該新生長的通道具有分叉能力，則將按照步驟2.3)更新下一步生長的相關(guān)參數(shù)；否則將直接以該新生長的通道的終止點(diǎn)作為下一步生長的起始點(diǎn)；

2.3)分叉參數(shù)的確定：當(dāng)步生長迭代中計(jì)算每段冷板液流通道生長前后結(jié)構(gòu)整體的散熱弱度的減少量ΔD；如果某一生長點(diǎn)生長出冷板液流通道前后的散熱弱度減小量大于某一閥值D_v，則這一生長點(diǎn)被認(rèn)為具有分叉能力；否則，這一生長點(diǎn)被認(rèn)為不具有分叉能力；

具有分叉能力的生長點(diǎn)按照植物葉脈分主、次脈的形式分級(jí)生長，主脈在分叉點(diǎn)分為主脈與次脈；

2.3.1)分叉中主次脈半徑的確定方式：

為了保證通道內(nèi)的流體在分叉處的流阻最小，分叉前母支與分叉后兩個(gè)子支的內(nèi)徑滿足Murray’s法則，即r³₀＝r³₁+r³₂，其中r₀表示分叉前母支內(nèi)半徑，r₁表示分叉后主脈內(nèi)半徑；r₂表示分叉后次脈內(nèi)半徑；

設(shè)定r₁與r₂的比值為定值，不小于1；

2.3.2)分叉中主次脈生長角度的確定：

當(dāng)步生長迭代中生長出的冷板液流通道生長如果其生長點(diǎn)被認(rèn)為具有分叉能力，稱為分叉點(diǎn)；主脈在分叉點(diǎn)分為主脈與次脈，已經(jīng)長出的液流通道作為主脈，其通道布置方向不作調(diào)整，仍記為θ，只對(duì)其半徑進(jìn)行調(diào)整；

以分叉點(diǎn)為起始點(diǎn)預(yù)置次脈，預(yù)置的次脈軸向長記為L’；為使得分叉處流體液流通道的流動(dòng)阻力最小化，預(yù)置的次脈和主脈之間的夾角需要滿足一定條件，且該夾角以ε標(biāo)識(shí)：

根據(jù)確定的主脈生長方向θ、預(yù)置的次脈布置方向與主脈的夾角ε、分叉后主脈內(nèi)半徑r₁、分叉后次脈內(nèi)半徑r₂，對(duì)冷板液流通道進(jìn)行分叉布置；分叉完成后的主脈終止點(diǎn)將作為主脈下一步生長的生長點(diǎn)，預(yù)置的次脈的終止點(diǎn)將作為次脈生長的初始生長點(diǎn)；次脈在主脈生長完成后才開始生長；

將分叉后的冷板液流通道依據(jù)給定參數(shù)布置，并應(yīng)用連續(xù)溫度場插值的方法計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的總熱剛度矩陣K，隨后更新基結(jié)構(gòu)的熱剛度矩陣K_b；

3)冷板液流通道的生長：冷板液流通道的生長過程分為主脈的生長與次脈的生長兩個(gè)子過程，且在主脈生長完畢后次脈才開始生長；

3.1)主脈的生長：主脈由初始化設(shè)定的生長點(diǎn)開始逐步迭代生長，按照步驟2.1)、2.2)確定冷板液流通道的生長方向及更新下一步生長的生長點(diǎn)；如果主脈在一步生長中的生長點(diǎn)滿足分叉條件，則按照2.3)分叉策略完成分叉及更新主脈下一步生長的生長點(diǎn)；分叉中形成的次脈初始生長點(diǎn)則作為次脈第一步生長的起始點(diǎn)；

當(dāng)主脈生長到達(dá)設(shè)計(jì)域邊界或者材料用量超過體積上限V_max，那么主脈生長停止；如果主脈生長完成后依舊沒有達(dá)到材料體積上限V_max，則接下來進(jìn)行次脈的生長；

3.2)次脈的生長：次脈由主脈生長中確定的次脈初始生長點(diǎn)開始逐步迭代生長；生長策略與主脈生長相似；不過與主脈生長相區(qū)別的是，如果次脈在生長中滿足分叉條件，則次脈分叉將形成次脈與細(xì)脈；

當(dāng)次脈生長到達(dá)設(shè)計(jì)域邊界或者材料用量體積，則次脈生長完畢。