[發(fā)明專利]一種超高熱流射頻微系統(tǒng)的近結(jié)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010632957.3
• 申請(qǐng)日: 2020-07-02
• 公開（公告）號(hào): CN111832206B
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李寶童;閆素娜;謝晨寒;徐俊豪;洪軍
• 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;G06F111/04
• 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

1.一種超高熱流射頻微系統(tǒng)的近結(jié)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)設(shè)計(jì)區(qū)域的離散：近結(jié)冷卻微流道沿水平中心線呈現(xiàn)上下對(duì)稱，中間流道區(qū)域的大小為L(zhǎng)(mm)×L(mm)，流道區(qū)域的左右兩側(cè)分別是大小為L(zhǎng)/4(mm)×L/4(mm)的出入口區(qū)域，設(shè)計(jì)區(qū)域僅包括中間的流道區(qū)域；將設(shè)計(jì)區(qū)域離散為Nelx×Nely個(gè)有限元單元，離散后的設(shè)計(jì)區(qū)域包含Nelx行，Nely列；

2)設(shè)計(jì)區(qū)域初始化設(shè)置：

2.1)斯托克斯流模型的使用：設(shè)定設(shè)計(jì)區(qū)域的流體流動(dòng)狀態(tài)為層流，在設(shè)置反滲透率的情況下，采用斯托克斯流模型計(jì)算，得到近結(jié)冷卻微流道內(nèi)的速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)信息；將近結(jié)冷卻微流道內(nèi)的冷卻液定義為具有導(dǎo)熱率k_w，反滲透率κ_w的材料，并將近結(jié)冷卻微流道的固體定義為具有導(dǎo)熱率k_s，滲透率κ_s的材料，導(dǎo)熱率k_s＞k_w，反滲透率κ_w＜κ_s；

2.2)依照SIMP算法進(jìn)行設(shè)計(jì)區(qū)域的初始化設(shè)置：賦予每個(gè)離散后的有限元單元一個(gè)偽密度值x，近結(jié)冷卻微流道的最終流道結(jié)構(gòu)由所有有限元單元的偽密度值表示，當(dāng)x＝0時(shí)，有限元單元表示高導(dǎo)熱率高反滲透率的固體材料，當(dāng)x＝1時(shí)，有限元單元表示低導(dǎo)熱率低反滲透率的流體材料，通過(guò)偽密度建立單元材料與導(dǎo)熱率和反滲透率的關(guān)系，并引入懲罰因子p抑制偽密度值介于0和1之間的有限元單元，具體有限元單元的導(dǎo)熱率和反滲透率與偽密度的函數(shù)關(guān)系如下：

所有有限元單元的偽密度值設(shè)定為v_s，v_s介于0和1之間；同時(shí)設(shè)定在設(shè)計(jì)過(guò)程中允許的最大出入口處壓力差為ΔP_limit；設(shè)定材料反滲透率的初始懲罰因子p_k為1，采用連續(xù)化方法每50次優(yōu)化迭代或當(dāng)優(yōu)化收斂時(shí)p_k值以1為步長(zhǎng)遞增至10，而材料有效導(dǎo)熱系數(shù)的懲罰因子p_κ固定為3；提煉的設(shè)計(jì)工況和邊界條件為：冷卻液從左側(cè)入口以速度v_in流入流道區(qū)域，從右側(cè)的出口處流出冷卻微流道，將出口處視為壓強(qiáng)值視為0Pa，其余邊界都滿足無(wú)滑移條件，整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域施加均布的熱載荷；

3)在獲得設(shè)計(jì)區(qū)域的具體有限元單元的導(dǎo)熱率和反滲透率與偽密度的函數(shù)關(guān)系后，根據(jù)斯托克斯流模型和對(duì)流擴(kuò)散方程，得到強(qiáng)制對(duì)流換熱過(guò)程的物理模型如下：

其中ρ為流體介質(zhì)的密度；u為流體介質(zhì)內(nèi)速度場(chǎng)；P為流體介質(zhì)內(nèi)壓強(qiáng)場(chǎng)向量；η為流體的動(dòng)力粘度；κ(x)為與有限元單元偽密度值相關(guān)的材料反滲透率；k(x)為與有限元單元偽密度值相關(guān)的材料導(dǎo)熱系數(shù)；T為整個(gè)需要待求解設(shè)計(jì)域的溫度場(chǎng)；Q為求解設(shè)計(jì)域內(nèi)的熱源強(qiáng)度；C_p為流體介質(zhì)的比熱容；用有限元方法將求解區(qū)域離散化之后，再利用伽遼金余量方法，得到有限元矩陣形式：

K_U(U)U＝f_U

K_T(U，T)T＝f_T

K_U為流場(chǎng)總剛度矩陣；U為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)形如[(u_x，u_y)，p]的流場(chǎng)向量，其中u_x和u_y分別為節(jié)點(diǎn)處水平和豎直方向上的速度，p為節(jié)點(diǎn)處的壓強(qiáng)；f_U為流場(chǎng)載荷向量；K_T為對(duì)流換熱總剛度矩陣；f_T為熱載荷向量；T為溫度場(chǎng)向量；在求解流場(chǎng)方程和對(duì)流擴(kuò)散方程時(shí)，由于流場(chǎng)總剛度矩陣為U的函數(shù)，而對(duì)流換熱總剛度矩陣為U，T的函數(shù)，所以在求解時(shí)應(yīng)構(gòu)造如下式所示的迭代格式：

U_i+1＝λU_i-1+(1-λ)U_i

T_i+1＝λT_i-1+(1-λ)T_i

進(jìn)行計(jì)算時(shí)，先給定任意一初值U₀，通過(guò)K_U(U₀)U＝f_U計(jì)算得到U₁，根據(jù)迭代格式計(jì)算得到U₂，判斷|U₂-U₀|是否符合收斂精度要求，符合則將U₂作為流場(chǎng)向量的解輸出，否則繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算；根據(jù)流場(chǎng)向量的輸出值，采用同樣的辦法進(jìn)行溫度場(chǎng)向量T的計(jì)算；

4)優(yōu)化求解：

4.1)優(yōu)化問(wèn)題數(shù)學(xué)模型的建立：

目標(biāo)函數(shù)：平均溫度最小，即最小化

設(shè)計(jì)變量：x＝[x₁，x₂，x₃…，x_n]；

約束條件：v-v₀＜0，

其中，x是設(shè)計(jì)變量的偽密度矩陣，n是設(shè)計(jì)域離散后的網(wǎng)格數(shù)量，v是在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)際使用的流體體積占比值，v₀是在設(shè)計(jì)過(guò)程中允許的最大流體體積占比值，ΔP是在設(shè)計(jì)過(guò)程中實(shí)際的出入口處壓力差，ΔP_limit是在設(shè)計(jì)過(guò)程中允許的最大出入口處壓力差；

4.2)靈敏度求解：

根據(jù)Lagrangian數(shù)乘法引入以下的函數(shù)：

對(duì)設(shè)計(jì)變量x求導(dǎo)，并消掉其中與關(guān)的項(xiàng)，即令相關(guān)項(xiàng)的系數(shù)等于0，得到λ_t，λ_u的表達(dá)式：

得到目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量x的靈敏度：

同樣的，根據(jù)Lagrangian數(shù)乘法構(gòu)造壓降約束的函數(shù)得到的壓降約束對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度：

體積約束對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度為：

4.3)利用有限元分析結(jié)果與靈敏度求解結(jié)果在MMA算法更新下不停迭代，直到同時(shí)滿足在設(shè)計(jì)過(guò)程中允許的最大流體體積占比值v₀和在設(shè)計(jì)過(guò)程中允許的最大出入口處壓力差ΔP_limit，或迭代次數(shù)達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)loopmax；至此獲得超高熱流射頻微系統(tǒng)的近結(jié)冷卻結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。