[發(fā)明專利]一種相控陣?yán)走_(dá)T/R組件散熱網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611200972.0
• 申請(qǐng)日: 2016-12-22
• 公開（公告）號(hào): CN106777715B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李寶童;洪軍;葛柳華;劉國光;蘇文軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/18
• 分類號(hào): G06F30/18;G06F30/20;G06F119/08
• 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

1.一種相控陣?yán)走_(dá)T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生長的初始化：

1.1)設(shè)計(jì)域的構(gòu)建與初始化：根據(jù)實(shí)際相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的熱量生成情況，提取冷板散熱問題的設(shè)計(jì)域與熱載荷邊界條件；然后將冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)域中的布局設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為植物根系在設(shè)計(jì)域內(nèi)依據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)濃度生長的問題；冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)域?qū)?yīng)土壤中根系的生長區(qū)域，記作Ω，熱載荷邊界條件中的不同熱流密度對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)域中不同的營養(yǎng)物質(zhì)濃度，并在設(shè)計(jì)域建立直角坐標(biāo)系；

1.2)生長參數(shù)的初始化：首先依據(jù)設(shè)計(jì)域的初始化條件為設(shè)計(jì)域內(nèi)的有限個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置初始營養(yǎng)物質(zhì)濃度，且營養(yǎng)物質(zhì)的離散化的表達(dá)式記為Q(x，y)；然后指定散熱流體通道模擬生長的初始生長點(diǎn)，初始生長點(diǎn)可以有一個(gè)或多個(gè)，且設(shè)初始生長點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，Y)；最后對(duì)散熱流體通道模擬生長的迭代終止條件等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置散熱通道的材料消耗上限為V_max，設(shè)置迭代生長的步數(shù)上限為N_max；

2)冷板散熱網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)迭代生長：

2.1)生成初始根

初始根生長的相關(guān)參數(shù)由人為設(shè)定，包括生長長度dL，生長半徑dR和生長的方向向量(e_x,e_y)；初始生長點(diǎn)經(jīng)過一步生長各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削減附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；

每段根附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度按式(1)削減：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前營養(yǎng)物質(zhì)濃度；Q_i0(x，y)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)次削減前的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；μ是一個(gè)預(yù)設(shè)的常數(shù)，代表營養(yǎng)物質(zhì)濃度削減的梯度；D_i是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前根段的距離，D代表根段對(duì)土壤中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響范圍；

2.2)根系的迭代生長

每段初始根經(jīng)過迭代生長最終形成根系的一個(gè)分支，一步生長迭代中要對(duì)根系的每個(gè)分支依次進(jìn)行一步生長；每個(gè)分支在一次生長前就已存在的根稱作母根；根系的每一分支按如下的方法進(jìn)行迭代生長：

2.2.1)在以包含母根的一定生長區(qū)域Ω₁內(nèi)，尋取營養(yǎng)物質(zhì)濃度最高的節(jié)點(diǎn)Q_h，若存在多個(gè)濃度最高的點(diǎn)，則隨機(jī)取其中的一個(gè)；若所有局部生長區(qū)域中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度均為0，則該分支停止生長；

2.2.2)分別連接步驟2.2.1)中所述的營養(yǎng)物質(zhì)濃度最高點(diǎn)與母根每一根段的中點(diǎn)，各自形成一個(gè)預(yù)置的分叉；連接過程中如果發(fā)現(xiàn)連接線與其他母根根段相交，則放棄該分叉；若連接過程中所有連接線均與其他母根根段相交，則該分支停止生長；

2.2.3)為確定分支在當(dāng)次迭代生長中最終的生長布局，需要對(duì)步驟2.2.2)所形成的預(yù)置分叉依次進(jìn)行分析，并且選取其中能夠使得根系材料消耗總體積最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的預(yù)置分叉，并且在根段對(duì)應(yīng)的局部生長區(qū)域Ω₂內(nèi)移動(dòng)分叉點(diǎn)；隨著分叉點(diǎn)的移動(dòng)不斷按照式(3)、(7)、(8)更新母支與分支的半徑與長度，并且如果分叉發(fā)生在當(dāng)前分支的中段，則更新應(yīng)該從當(dāng)前分叉開始直到該分支的末端；

根系分支的每一步生長的優(yōu)化目標(biāo)為使得根系材料消耗的總體積最小，即根系生長的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

$f=\min V=\mathrm{\π}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_i^2{l}_i---\left(2\right)$

植物根系作為一種自然分叉結(jié)構(gòu)，在本質(zhì)上類似于流道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；依據(jù)流體理論對(duì)植物根系進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬中，需要遵循的法則有：

$r_0^3=r_1^3+r_2^3---\left(3\right)$

式中，r₀為母支半徑，r₁、r₂分別為兩個(gè)子支的半徑；式(3)即著名的Murray’s法則，滿足Murray’s法則的分叉系統(tǒng)的能量損失最?。?/p>

營養(yǎng)物質(zhì)在根系中運(yùn)輸時(shí)流動(dòng)控制方程假設(shè)為Poiseuille’s定律，使得流動(dòng)控制方程大大簡化，如式(4)：

$Q=\frac{{\mathrm{\πr}}_4}{8v}\frac{\mathrm{\Δ}P}{L}---\left(4\right)$

式中，Q為流體通道的體積流率，r為流體通道的當(dāng)量半徑，ν為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)，ΔP為通道兩端得壓力差，L為通道的軸向長度；

在式(4)下，流體通道的流阻的表達(dá)式如式(5)：

$R=\frac{\mathrm{\Δ}P}{Q}=\frac{8v}{\mathrm{\π}}\frac{L}{r^4}---\left(5\right)$

式中，R為流體通道的流阻；

假設(shè)每次分叉中兩分支的流量相等，即：

$Q_1=Q_2=\frac{Q_0}{2}---\left(6\right)$

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推導(dǎo)每個(gè)分叉中半徑與長度關(guān)系式，即：

$\frac{r_0}{r_1}={(1+{\left(\frac{l_1}{l_2}\right)}^{\frac{3}{4}})}^{\frac{1}{3}}---\left(7\right)$

$\frac{r_1}{r_2}={\left(\frac{l_1}{l_2}\right)}^{\frac{1}{4}}---\left(8\right)$

然后按照式(9)計(jì)算分叉點(diǎn)在每個(gè)位置時(shí)的根系總體積，并且選擇使得根系材料消耗總體積最小的分叉點(diǎn)最為該預(yù)置分叉的最優(yōu)選擇；

$V=\mathrm{\π}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{r}_i^2{l}_i\→\min ---\left(9\right)$

2.2.4)依據(jù)步驟2.2.2)與步驟2.2.3)，對(duì)所形成的所有預(yù)置分叉的根系總體積進(jìn)行比較，按照式(2)選擇使得根系總體積最小的分叉作為當(dāng)次迭代中根系該分支的最終生長方案；

2.2.5)按照式(1)削減新生成根段附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；該分支在當(dāng)次迭代中的迭代生長完成，并且形成的根將會(huì)作為下一次生長迭代時(shí)該分支的母根；

2.3)迭代的終止：

依次對(duì)根系中的每個(gè)分支按照2.2)進(jìn)行一步生長完成一次迭代，并重復(fù)，直至達(dá)到設(shè)置的迭代步數(shù)上限N_max或者達(dá)到材料的消耗上限V_max。