[发明专利]基于多尺度拓扑优化的强制对流微通道换热器设计方法

说明书

公开了基于多尺度拓扑优化的强制对流微通道换热器设计方法，方法中，构建强制对流微通道换热器的底层结构，底层结构具有各向同性且包括开放孔隙，经由改变底层结构的几何参数改变孔隙率；采用格子玻尔兹曼方法计算对应不同孔隙率的底层结构的有效渗透率以及有效导热系数；多项式拟合数值模拟得到的散点以分别得到有效渗透率、有效导热系数随孔隙率变化的函数关系式；构建宏观尺度下强制对流换热器内的流动换热过程，采用函数关系式替代宏观方程中的有效渗透率和有效导热系数，基于密度法的宏观拓扑优化得到不同孔隙率的底层结构在换热器内的优化排布，即优化设计的换热器。

技术领域

本发明涉及换热器技术领域，尤其涉及一种基于多尺度拓扑优化的强制对流微通道换热器设计方法。

背景技术

随着电子芯片的小型化、集成化以及高性能化，其热流密度越来越高，部分设备甚至超过100W/cm²。而大部分电子设备要求工作温度在-20～80℃以内，因此芯片的热管理越发受到技术人员的重视。在众多散热手段中，强制对流微通道换热器因其具有换热效率高、噪音小、流量需求小等特点而引起广泛关注。强制对流微通道换热器由导热系数较高的固体材料(相比流体)和流体流道组成，微通道换热器与热源接触，固体将热量扩散至微通道换热器内，换热流体流经流道带走微通道换热器内的热量。因此，强制对流微通道换热器内的流道布局是影响强制对流换热性能的重要因素之一。对于强制对流微通道换热器，流动阻力与换热性能是衡量性能的两个重要指标。在实际情况中，流动阻力与换热性能往往互相矛盾，换热性能的提高往往伴随着流动阻力的增加。如何权衡流动阻力与换热性能这两个指标，最大程度发挥出微通道换热器的潜力是问题的关键。传统的通道布局设计例如直通道、波浪形通道、蛇形通道、分形通道，往往基于理论、设计人员的经验与直觉，因此其最优性无法得到保证。传统的优化方法包括尺寸优化、形状优化又需要给定预先的形状与组件，其在设计自由度上的天然缺陷限制了微通道换热器的性能。拓扑优化作为具有最高设计自由度的优化手段则可以很好的克服上述缺点。密度法是拓扑优化的常用方法之一，其本质上是对材料在设计域上的分配进行优化，对于部分区域往往会得到介于固体与流体之间的多孔介质。然而就目前而言，我们通常会对基于密度法拓扑优化得到的结构进行后处理，消除这些多孔介质区域。但是消除这些多孔介质区域，不仅会提高优化难度，增加计算量，还会使得换热器的性能恶化，且部分优化的约束条件不能完全得到满足。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多尺度拓扑优化的强制对流微通道换热器设计方法，采用多尺度的思想，针对一些底层结构，采用格子玻尔兹曼方法计算其有效导热系数和有效渗透率随孔隙率变化关系，对上述关系进行尺度提升，并采用此关系进行宏观拓扑优化，将得到的优化结果演绎成由底层结构组成的多孔介质域。采用该方法优化得到的强制对流换热器具有更加优异的性能，能在压降更小的情况下实现更高的换热效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种基于多尺度拓扑优化的强制对流微通道换热器设计方法包括：

构建强制对流微通道换热器的底层结构，所述底层结构具有各向同性且包括开放孔隙，经由改变底层结构的几何参数改变孔隙率；

采用格子玻尔兹曼方法计算对应不同孔隙率的底层结构的有效渗透率以及有效导热系数，其中，在底层结构的y方向z方向上施加周期性边界条件，在x方向上给定压差，对流动进行模拟，根据达西定律得到有效渗透率，采用格子玻尔兹曼方法，在底层结构的y方向和z方向上施加周期性边界条件，在x方向上给定温差，对导热进行模拟，根据傅里叶导热定律得到有效导热系数；

多项式拟合数值模拟得到的散点以分别得到有效渗透率、有效导热系数随孔隙率变化的函数关系式；

构建宏观尺度下强制对流换热器内的流动换热过程为：