[發明專利]一種橋接顯隱拓撲描述的熱流耦合結構設計方法

有效

• 申請號: 202010515070.6
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111695216B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 李寶童;尹鑫鑫;謝晨寒;劉宏磊;洪軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14;G06F111/10
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種橋接顯隱拓撲描述的熱流耦合結構設計方法，以顯式和隱式拓撲優化方法相結合的手段，實現對熱流耦合結構的設計；依次對第一層熱流耦合結構網絡和第二層熱流耦合結構網絡進行設計，且在設計過程中將流體流動視為湍流狀態，并將整個設計域運用達西模型進行簡化，在優化設計過程中采用伴隨方法求靈敏度，最后獲得熱流耦合結構最終布局，本發明使用達西流降階有限元模型可以較好的模擬熱流耦合結構內冷卻液的流動，同時降低運算量，為迭代優化的實現創造可能。

技術領域

本發明屬于熱流耦合結構優化設計技術領域，具體涉及一種橋接顯隱拓撲描述的熱流耦合結構設計方法。

背景技術

隨著電子設備的功能性和緊湊性的不斷提高，隨之而來的高熱流已成為亟待解決的問題，為此設計師們提出了一些高性能的解決方案如石墨片、超薄微熱管等，但是由于石墨片面外導熱性差以及超薄微熱管對于加工有著很高的要求，這些方法都沒有得到大規模的使用。

液冷板熱流耦合結構散熱器由于具有較大的傳熱表面積，可以用氣體或者液體冷卻，近年來得到了廣泛的應用。設計師們通過對熱流耦合結構進行優化設計來提高其散熱能力，然而依賴自身經驗和直覺無法獲得很好的優化結果，為此國內外同行也做了進一步研究，一些應用尺寸優化和拓撲優化的工作也有所報道。但是這些結果中應用尺寸優化的結果依舊過于簡單，無法大幅度提高熱流耦合結構的散熱性能，而應用拓撲優化得到的結果又相對比較復雜，對于加工提出了很高的要求。

發明內容

為克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種橋接顯隱拓撲描述的熱流耦合結構設計方法，綜合顯式優化器設計變量少和頂層幾何邊界移動能力強的優勢，以及隱式優化器變形能力強的特點，較好的完成對熱流耦合結構的優化設計。

為達到上述目標，本發明采取的技術方案為：

一種橋接顯隱拓撲描述的熱流耦合結構設計方法，包括以下步驟：

1)定義設計工況：

以湍流為熱流耦合結構內冷卻液的設計工況，定義工程設計中2300為臨界雷諾數；

2)確定設計變量：

取熱流耦合結構所在的方形區域作為設計區域，根據設計需要給定入口速度和出口壓力，采用橋接顯隱的拓撲優化方式，設計變量包含兩部分：顯式優化器部分設計變量為頂層幾何邊界，每個邊界包含起點坐標x、y，邊界的長度2l，邊界在起點、終點和中點的三個寬度2w₁、2w₂、2w₃共計7個變量，在設計區域均勻布置n個頂層幾何邊界，將其作為初始布局，此時共有7n個變量，將這些變量有序地存儲到向量中；隱式優化器部分設計變量為底層有限元網格單元，每個單元包含單元偽密度一個變量；將顯式優化器優化結果投影到底層有限元網格上作為隱式優化器部分的初始布局，在設計區域中共有nelx×nely個網格單元，此時設計變量也為nelx×nely個，將這些變量有序的存儲到向量中；

3)確定目標函數——平均溫度T_平均：

以熱流耦合結構散熱性能最佳為優化目標，將設計區域內有限元網格各個節點的平均溫度降至最低設定為衡量散熱性能的指標，命名為平均溫度T_平均，平均溫度T_平均即為關于設計變量的目標函數；

平均溫度T_平均通過達西模型降階有限元方法求解，具體求解如下：

強迫對流換熱問題是一類流場和溫度場存在強耦合性的流熱耦合問題，其遵循的能量控制方程：

式中：ρ為液體或氣體工質的密度，c_p為液體或氣體工質的比熱容，k為液體或氣體工質的導熱系數，u為液體或氣體工質的速度場，T為區域Ω的溫度場，Q為體積熱源強度；