[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

本發明屬于熱流耦合拓撲優化設計相關技術領域，其公開了一種微流道散熱器及其細觀尺度拓撲優化設計方法，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。本發明將微流道散熱器劃分為多個細觀尺度的單元，并以該細觀單元作為對象進行拓撲優化設計，避免了宏觀設計時為描述細小流道而劃分大量有限元網格單元，節省了計算開銷，提高了計算效率。

技術領域

本發明屬于熱流耦合拓撲優化設計相關技術領域，更具體地，涉及一種微流道散熱器及其細觀尺度拓撲優化設計方法。

背景技術

液冷散熱器在諸多工程領域中均有廣泛應用，例如大功率電子設備、發動機、熱交換器、航空航天飛行器等。例如，在航空航天方面，發動機再生冷卻流道的設計本質上屬于液冷散熱器設計的范疇；在電子硬件領域，器件向著高熱流密度、小型化、陣列化方向發展，這也對與之配套的散熱系統設計提出了更高的要求。微流道散熱器由于其比表面積高，可以實現數倍于傳統流道散熱器的換熱系數，而且其體積小，可以進行多尺度、陣列化設計。基于經驗的傳統結構設計方法難以進一步提升散熱效率，而借助結構優化技術來尋求結構某項或多項性能所對應的目標函數最優的設計方案已成為更為可行的設計手段。

結構優化技術中的拓撲優化設計方法由于其設計自由度高的特點，已被應用于散熱器流道設計，流道散熱拓撲優化目前主要包括兩種方法，即變密度法和水平集法。變密度法求解穩定性較好，計算簡單，但可能產生較多中間密度單元，導致其對結構邊界描述不清晰。水平集方法可清晰描述結構邊界，但傳統水平集方法需要求解H-J PDE，計算較為復雜。參數化水平集方法可避免求解H-J PDE，但目前尚未應用到流道散熱器設計領域；而且其研究多采用規則網格，難以適應帶有復雜幾何外形零件的設計需求，而且其多孔初始設計為人為選擇，易導致初始設計依賴性。微流道散熱器流道尺寸小，在宏觀尺度進行整體設計需要劃分大量網格單元，同時需要采用流道尺寸約束手段，計算開銷較大。相應地，本領域存在著發展一種高效的微流道散熱器拓撲優化方法的技術需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種微流道散熱器及其細觀尺度拓撲優化設計方法，所述設計方法是一種熱流耦合流道優化設計方法，其能夠設計出微流道的微觀構型，使得散熱器的傳熱效率最大化，可以滿足用于航空航天、電子工程中的散熱器性能設計需求。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種微流道散熱器的細觀尺度拓撲優化設計方法，所述方法包括以下步驟：

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網格單元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。

進一步地，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。