[發明專利]一種強化毛細作用的均熱板吸液芯結構設計方法

有效

• 申請號: 202010632076.1
• 申請日: 2020-07-02
• 公開（公告）號: CN111780601B
• 公開（公告）日: 2021-08-13
• 發明（設計）人: 李寶童;徐俊豪;尹鑫鑫;蘇文杰;洪軍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F28D15/04
• 分類號: F28D15/04;G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

1.一種強化毛細作用的均熱板吸液芯結構設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)吸液芯結構一階構型推導：

均熱板吸液芯結構中流道的高度為幾十到幾百微米，將其視為平行平板間的泊肅葉流，其流量與壓力降之間存在比例關系，而穩態熱傳導狀態的平板內熱流密度與溫度梯度之間也同樣存在比例關系，即傅立葉定律，且兩者的比例系數均為相關的材料參數；根據關于理想泊肅葉流與穩態導熱的相似性分析，以穩態導熱問題的優化扇形份數為均熱板吸液芯結構拓撲優化的一階構型；

首先，吸液芯結構分為兩大類：冷凝端吸液芯設計中的“面點”(AP)流動問題和蒸發端吸液芯設計中的“面線”(AL)流動問題；然后，推導具有高導熱通道的圓盤模型，其中，將圓盤劃分份數選擇為優化變量，同時以固定高導熱通道體積占比和微銑削最小加工尺寸為約束條件；

對于蒸發端，扇形區域的圓周側為熱沉，高導熱通道的兩端寬度分別為D和mD，長度為L，其火積分為三部分進行求解：

扇形圓心角區域部分火積：

高導熱通道火積：

高導熱通道兩側區域部分火積：

總火積：

對于冷凝端，扇形區域圓心側為熱沉，高導熱通道的兩端寬度分別為D和mD，長度為R，其火積分為兩部分進行求解：

高導熱通道部分火積：

高導熱通道兩側區域部分火積：

總火積：

其中R為圓盤半徑，q″′為圓盤產熱率，w為圓盤厚度，T(x，y)為(x,y)處的溫度，α為扇形的圓心角，T_min為熱沉處溫度。

同時約束冷凝端右側高導熱通道處的熱流強度遠大于低導熱區域處的熱流強度，用數學表達式表示為：

通過上述理論上的求解，對應最小火積耗散率，將冷凝端和蒸發端吸液芯圓盤劃分份數進行優化，得到吸液芯結構的一階構型；

(2)微通道毛細力模型構建：

以水在毛細管中上升的高度作為衡量吸液芯工作能力的指標，假設微通道毛細管的長度為L，寬度為W，深度為H，將微通道立于水中，并假設環境溫度因素保持恒定，則表面張力通過Helmholtz自由能來表示：

σ_ij＝dE/dA_ij,i,j＝f,s,v and i≠j (9)

其中，A_ij代表交界區域面積，σ_sv、σ_sl和σ_lv分別代表固氣、固液和液氣的表面張力；則Helmholtz自由能在交界面的變化量表示為：

dE＝σ_lvdA_lv+σ_sldA_sl+σ_svdA_sv (10)

假設某一時刻液面在毛細管中的高度為x，在毛細力的推動下液面上移了一段微小的距離dx，則在液氣、固液和固氣交界處接觸面積變化量為：

dA_lv＝Wdx (11)

dA_sl＝(2H+W)dx (12)

dA_sv＝-(2H+W)dx (13)

當一定體積的液滴附著于平滑固體表面，液滴會沿著固體表面擴散開至固液氣三項接觸線達到平衡，此時氣液界面切線與固液接觸面形成的角度即為三項接觸角θ；則得到Young接觸方程：

σ_sv＝σ_sl+σ_lvcosθ (14)

將式(11)-(14)帶入到式(10)可得：

dE＝σ_lv[W-(2H+W)cosθ]dx (15)

則毛細力F通過將dE對dx進行積分得到：

(3)吸液芯內部流道布局設計：

工質在吸液芯中流動的驅動力為吸液芯結構提供的毛細力，當毛細結構為一根圓管時，毛細壓力的大小由毛細管的半徑決定，對于衡量毛細吸液芯結構而言，毛細壓力與滲透率作為兩個關鍵參數，以最大化流道末端表面張力及流速的加權和為拓撲優化目標：

式中：w₁和w₂分別為目標函數中末端表面張力g₁(f)和流速g₂(u)所占的權重；

約束條件設為流道體積占比約束以及設計域約束；

針對雙子葉植物葉脈自適應熱結構，總結出植物葉脈的分叉規律，并將其運用到均熱板吸液芯的結構設計中；假設最終的流道由組件構成，每個組件由一組獨立的向量控制X＝[L,t₁,t₂,t₃,θ]^T，通過組件的生長退化變形等來形成流道的布局，具體的生長模擬過程劃分為三個步驟：

步驟3.1：初始化，設置蒸發端以及冷凝端的初始邊界條件；

步驟3.2：生長競爭，優化每一個組件的尺寸和轉向，包括兩個子步驟：局部調整以及全局調整；局部調整指的是優化新生成的組件，全部調整指的是對已生成的所有組件進行優化；

步驟3.3：計算分叉閾值和退化閾值，對于新生成的組件，如果該組件末端的厚度大于分叉值，則進一步分叉；如果該組件末端的厚度小于退化閾值，則該組件被移除；如果該組件的厚度介于兩個閾值之間，則在該組件的末端不會生長出新的組件；

步驟3.2和步驟3.3交替進行直到高導熱通道的體積占比達到設定的體積比，此時高導熱通道的布局已經生成；

(4)適應性處理：按照生產工藝要求圓整流道布局，從而獲得流道的最終布局。