[發(fā)明專(zhuān)利]樹(shù)狀冷板通道自由型面建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211656808.6
• 申請(qǐng)日: 2022-12-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN116384171A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田錫威;王偉;孫晨;錢(qián)思浩;保宏;王從思;蔡艷召;李鵬;王猛;徐文華
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/23
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/23;G06T17/00;G06T17/20;G06F119/08;G06F111/10
• 代理公司: 西安弘理專(zhuān)利事務(wù)所 61214
• 代理人: 曾慶喜

本發(fā)明公開(kāi)了樹(shù)狀冷板通道自由型面建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括冷板出入口位置和幾何尺寸及物理邊界參數(shù)的確定；基于確定的樹(shù)狀流道骨架，進(jìn)一步提供樹(shù)狀結(jié)構(gòu)特征；對(duì)同一分支進(jìn)行分段處理，區(qū)分分支層間拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建與分支層內(nèi)自由建模兩個(gè)過(guò)程，提供了更自然、更靈活的樹(shù)狀建模框架；采用三次B樣條函數(shù)和伯恩斯坦函數(shù)表征通道模式、橢圓橫截面形狀與尺寸、通道扭轉(zhuǎn)；以控制幾何特征的參數(shù)為設(shè)計(jì)變量；采用非支配排序遺傳算法II(NSGA?II)優(yōu)化樹(shù)狀流道分布，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)變量歸一化處理提高優(yōu)化穩(wěn)定性。本發(fā)明以指定平面的最小平均溫度與最小溫度均方根為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化技術(shù)布局樹(shù)狀通道散熱器的結(jié)構(gòu)分布從而進(jìn)一步提高散熱性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電子設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及樹(shù)狀冷板通道自由型面建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

熱管理在不同工程應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用，例如電動(dòng)與混合電動(dòng)汽車(chē)、電子芯片、機(jī)器人、可穿戴設(shè)備及電機(jī)等。目前，隨著小型化、高集成度以及高能量密度等問(wèn)題不斷涌現(xiàn)，熱管理的重要性不斷增強(qiáng)甚至成為核心設(shè)計(jì)。共軛傳熱作為一種高效的冷卻策略，通常應(yīng)用在熱管理設(shè)計(jì)中，包括液冷與空冷。然而，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又在生熱、傳熱及散熱三個(gè)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，是后續(xù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。近幾十年來(lái)，通過(guò)提供各種幾何結(jié)構(gòu)的散熱器進(jìn)而提高其冷卻性能的研究已得到了廣泛的發(fā)展。自然界普遍存在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，如植物的根、葉、呼吸系統(tǒng)、河流網(wǎng)絡(luò)等，可以說(shuō)該結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期自然選擇和進(jìn)化后的最優(yōu)解和最優(yōu)結(jié)構(gòu)。因此，許多研究人員在許多應(yīng)用中開(kāi)展了對(duì)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)流動(dòng)和換熱性能的研究，如冷板、翅片散熱器及熱交換器等。有趣的是，許多研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)獲得的結(jié)構(gòu)(概念設(shè)計(jì)方法)具有樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步證明了該種結(jié)構(gòu)在提高傳熱性能方面的優(yōu)勢(shì)。在樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)中，為提高散熱器的傳熱性能，大部分的研究集中在T型、Y型或T-Y混合型的樹(shù)狀通道。研究的樹(shù)狀特征主要為分支角、分支長(zhǎng)度、分支層、分支數(shù)目以及相應(yīng)的橫截面形狀和尺寸。然而，值得反思的是，隨著熱管理需求不斷地增加，這些固定形式限制了進(jìn)一步探索樹(shù)狀結(jié)構(gòu)在提高冷卻性能的潛力。

現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：

1.現(xiàn)有樹(shù)狀通道設(shè)計(jì)與分析僅集中在二維構(gòu)型，再通過(guò)簡(jiǎn)單拉伸獲取三維構(gòu)型。

2.其設(shè)計(jì)過(guò)程嚴(yán)重依賴(lài)設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)、靈感，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)間成本較高，并且所獲取的設(shè)計(jì)是否為最優(yōu)通常需要長(zhǎng)時(shí)間的討論與優(yōu)化。

3.大部分設(shè)計(jì)僅局限于樹(shù)狀分支角度、分支長(zhǎng)度、分支數(shù)目及分支水平，涉及到的幾何特征有限，這弱化了幾何結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能增強(qiáng)的潛力，且獲得的設(shè)計(jì)傳統(tǒng)且換熱效率有限。

4.對(duì)應(yīng)幾何特征通常設(shè)置為固定值，盡管某些設(shè)計(jì)對(duì)幾何特征進(jìn)行了優(yōu)化，然而固定形式與尺寸不利于樹(shù)狀結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱規(guī)律進(jìn)一步探索并提升其性能。

5.由于設(shè)計(jì)方法局限，傳統(tǒng)樹(shù)狀流道一直傾向于設(shè)計(jì)方形通道，其他截面形式較少涉及。

6.傳統(tǒng)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常并未引入縱向波與橫向波提升冷板傳熱性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供樹(shù)狀冷板通道自由型面建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。釋放了幾何結(jié)構(gòu)形式與尺寸對(duì)傳熱性能的約束，以指定平面的最小平均溫度與最小溫度均方根為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化技術(shù)布局樹(shù)狀流道冷板的結(jié)構(gòu)分布從而進(jìn)一步提高散熱性能。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：樹(shù)狀冷板通道自由型面建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備的配置狀況，確定功率器件的表面熱流密度和冷板外形尺寸及流道出入口位置；

(2)根據(jù)確定的熱流密度與外形尺寸，確定流道出入口幾何尺寸參數(shù)、傳熱屬性參數(shù)、流動(dòng)屬性參數(shù)以及散熱系統(tǒng)材料屬性；

(3)根據(jù)確定的冷板外形尺寸，通過(guò)旋轉(zhuǎn)與平移矩陣參數(shù)化構(gòu)建樹(shù)狀流道骨架；

(4)根據(jù)確定的骨架，確定分支層之間的基本拓?fù)潢P(guān)系；