[发明专利]一种相控阵雷达T/R组件散热网络的自适应生长设计方法

摘要

一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法，首先根据组件的散热情况提取散热问题的设计域与热载荷边界条件，再将其转化为植物根系在设计域内依据营养物质浓度生长的问题；然后进行初始根的生长，并在此基础上进行模拟生长迭代，最终得到冷板散热流道网络的设计布局；使用本发明进行设计时，不再需要重复设计、仿真、改进的工作，突破了常规的散热网络的结构设计流程，提高了设计的效率与质量；由于本发明是通过模拟植物根系在土壤中受营养物质浓度支配的生长来进行散热流道网络的布局优化设计，所以从设计出原理上就更加接近一种流道网络的本质，使得设计结果更加合理。

主权项

一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)冷板散热流道网络自适应生长的初始化：1.1)设计域的构建与初始化：根据实际相控阵雷达T/R组件的热量生成情况，提取冷板散热问题的设计域与热载荷边界条件；然后将冷板散热流道网络在设计域中的布局设计问题转化为植物根系在设计域内依据营养物质浓度生长的问题；冷板散热流道网络的设计域对应土壤中根系的生长区域，记作Ω，热载荷边界条件中的不同热流密度对应设计域中不同的营养物质浓度，并在设计域建立直角坐标系；1.2)生长参数的初始化：首先依据设计域的初始化条件为设计域内的有限个节点设置初始营养物质浓度，且营养物质的离散化的表达式记为Q(x，y)；然后指定散热流体通道模拟生长的初始生长点，初始生长点可以有一个或多个，且设初始生长点的坐标为(X，Y)；最后对散热流体通道模拟生长的迭代终止条件等相关参数进行设置，设置散热通道的材料消耗上限为Vmax，设置迭代生长的步数上限为Nmax；2)冷板散热网络的自适应迭代生长：2.1)生成初始根初始根生长的相关参数由人为设定，包括生长长度dL，生长半径dR和生长的方向向量(ex,ey)；初始生长点经过一步生长各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削减附近的营养物质浓度；每段根附近的营养物质浓度按式(1)削减：Qi(x,y)＝Qi0(x,y)‑μ(D‑Di)   (1)式中，Qi(x，y)代表第i个节点当前营养物质浓度；Qi0(x，y)代表第i个节点在当次削减前的营养物质浓度；μ是一个预设的常数，代表营养物质浓度削减的梯度；Di是第i个节点与当前根段的距离，D代表根段对土壤中营养物质浓度的影响范围；2.2)根系的迭代生长每段初始根经过迭代生长最终形成根系的一个分支，一步生长迭代中要对根系的每个分支依次进行一步生长；每个分支在一次生长前就已存在的根称作母根；根系的每一分支按如下的方法进行迭代生长：2.2.1)在以包含母根的一定生长区域Ω1内，寻取营养物质浓度最高的节点Qh，若存在多个浓度最高的点，则随机取其中的一个；若所有局部生长区域中的营养物质浓度均为0，则该分支停止生长；2.2.2)分别连接步骤2.2.1)中所述的营养物质浓度最高点与母根每一根段的中点，各自形成一个预置的分叉；连接过程中如果发现连接线与其他母根根段相交，则放弃该分叉；若连接过程中所有连接线均与其他母根根段相交，则该分支停止生长；2.2.3)为确定分支在当次迭代生长中最终的生长布局，需要对步骤2.2.2)所形成的预置分叉依次进行分析，并且选取其中能够使得根系材料消耗总体积最小的，采取以下方法：首先只保留要分析的预置分叉，并且在根段对应的局部生长区域Ω2内移动分叉点；随着分叉点的移动不断按照式(3)、(7)、(8)更新母支与分支的半径与长度，并且如果分叉发生在当前分支的中段，则更新应该从当前分叉开始直到该分支的末端；根系分支的每一步生长的优化目标为使得根系材料消耗的总体积最小，即根系生长的优化目标函数为：f=minV=πΣi=1nri2li---(2)]]>植物根系作为一种自然分叉结构，在本质上类似于流道网络系统；依据流体理论对植物根系进行的计算机模拟中，需要遵循的法则有：r03=r13+r23---(3)]]>式中，r0为母支半径，r1、r2分别为两个子支的半径；式(3)即著名的Murray’s法则，满足Murray’s法则的分叉系统的能量损失最小；营养物质在根系中运输时流动控制方程假设为Poiseuille’s定律，使得流动控制方程大大简化，如式(4)：Q=πr48vΔPL---(4)]]>式中，Q为流体通道的体积流率，r为流体通道的当量半径，ν为流体的动力粘度系数，ΔP为通道两端得压力差，L为通道的轴向长度；在式(4)下，流体通道的流阻的表达式如式(5)：R=ΔPQ=8vπLr4---(5)]]>式中，R为流体通道的流阻；假设每次分叉中两分支的流量相等，即：Q1=Q2=Q02---(6)]]>由式(3)、(4)、(5)、(6)可推导每个分叉中半径与长度关系式，即：r0r1=(1+(l1l2)34)13---(7)]]>r1r2=(l1l2)14---(8)]]>然后按照式(9)计算分叉点在每个位置时的根系总体积，并且选择使得根系材料消耗总体积最小的分叉点最为该预置分叉的最优选择；V=πΣi=1nri2li→min---(9)]]>2.2.4)依据步骤2.2.2)与步骤2.2.3)，对所形成的所有预置分叉的根系总体积进行比较，按照式(2)选择使得根系总体积最小的分叉作为当次迭代中根系该分支的最终生长方案；2.2.5)按照式(1)削减新生成根段附近的营养物质浓度；该分支在当次迭代中的迭代生长完成，并且形成的根将会作为下一次生长迭代时该分支的母根；2.3)迭代的终止：依次对根系中的每个分支按照2.2)进行一步生长完成一次迭代，并重复，直至达到设置的迭代步数上限Nmax或者达到材料的消耗上限Vmax。