[發明專利]一種微流道散熱器及其細觀尺度拓撲優化設計方法

在審

• 申請號: 202110301573.8
• 申請日: 2021-03-22
• 公開（公告）號: CN113094944A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 高亮;李家靖;李好
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F119/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜

1.一種微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

首先，將微流道散熱器進行局部特征提取以獲得細觀單元，并將所述細觀單元作為設計對象，進而對所述細觀單元進行有限元網格劃分；接著，基于所述細觀單元的設計域中的有限元網格，通過參數化水平集拓撲優化方法得到細觀尺度下的微流道拓撲結構，并將細觀尺度下的微流道拓撲結構進行陣列以得到微流道散熱器。

2.如權利要求1所述的微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，其特征在于：該方法包括以下子步驟：

(1)將微流道散熱器進行局部特征提取以獲得細觀單元，并將所述細觀單元作為設計對象，進而對所述細觀單元進行有限元網格劃分；

(2)將緊支撐徑向基函數分布于所述細觀單元的設計域中的有限網格節點上，進而得到以水平集函數表示的散熱器細觀流道拓撲構型；

(3)基于該散熱器細觀流道拓撲構型得到有限元網格單元密度，繼而得到細觀流道拓撲構型對應散熱器細觀單元的物理模型；

(4)基于新得到的物理模型求解得到初始水平集函數后，逐步更新水平集函數的形狀以確定最終的固體-流體分布，繼而得到細觀尺度下的微流道拓撲結構，并進行陣列以得到微流道散熱器。

3.如權利要求2所述的微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，其特征在于：步驟(1)中，將微流道散熱器進行局部特征提取以獲得細觀單元，并將所述細觀單元作為設計對象，根據所述細觀單元中原有的微流道形式確定設計域及邊界條件，繼而根據設計域對微流道散熱器的細觀單元進行有限網格劃分。

4.如權利要求2所述的微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，其特征在于：步驟(2)中，將帶有擴展系數的緊支撐徑向基函數分布于所述細觀單元的設計域中的有限網格節點上，并根據網格自適應地調整所述緊支撐徑向基函數的支撐半徑。

5.如權利要求3所述的微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，其特征在于：基于徑向基函數差值原理將所有基函數數值相加以得到參數化水平集函數；之后，基于所述參數化水平集函數及水平集理論描述所述設計域的固體及流體材料相，通過改變擴展系數使得所述參數化水平集函數具有不同形狀，繼而改變所述設計域中固體及流體材料分布，以得到以水平集函數表示的散熱器細觀流道拓撲構型。

6.如權利要求3所述的微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，其特征在于：單個徑向基函數的函數值表示為：

其中，

式中，x代表空間坐標；x_I代表徑向基函數中心點即控制點坐標；d_mI用于控制支撐半徑；d_l為空間坐標為x的點與徑向基函數中心點之間的歐氏距離；

支撐半徑根據網格單元大小進行自適應調整，具體按照以下公式進行：

式中，x_I代表徑向基函數中心點坐標；x_n代表相鄰的基函數中心點坐標；N代表相鄰基函數的數量；d_max為常數，通常在2-4范圍內取值；n為相鄰基函數的標號。

7.如權利要求2-6任一項所述的微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，其特征在于：步驟(3)中，基于所述散熱器細觀流道拓撲構型，采用Ersatz Material模型將水平集函數映射為連續變化的有限元網格單元密度，并采用帶有溫度方程的Navier-Stokes方程組構造設計域的不可壓縮流體非等溫強迫對流的物理模型，以表達散熱流道中的流體傳熱行為；接著，根據得到的網格單元密度在各個網格單元中對Navier-Stokes方程組中的流體阻力、導熱率和傳熱率進行固體相與流體相之間的線性插值，使得設計域中不同位置的網格單元分別具有固體或者流體的材料屬性，繼而得到流道拓撲構型對應散熱器細觀單元的物理模型。