[发明专利]一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法

摘要

本发明公开了一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法，包括冷板入口独立变量的确定；冷板流道二维设计域的抽取；以冷板表面温度均方根误差和流体流动耗散功为加权目标，以流体体积分数为约束的冷板流道拓扑优化模型的建立；二维冷板流道拓扑优化模型的求解；三维冷板及其流道模型的建立；冷板表面温度均方根误差的计算。本发明能够合理考虑管道占冷板体积比重并实现冷板高效散热、改善温度分布的均匀性，对指导电子设备的冷板设计有重要意义。

主权项

1.一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据电子设备的装配图，确定其中功率器件的表面热流密度Q和冷板的外框尺寸参数；(2)根据电子设备所采用的冷却泵，确定冷板入口的独立参数和冷却液热属性参数；(3)根据冷板所要达到的目标以及功率器件参数、冷板外框尺寸参数以及冷板入口的独立参数，建立冷板拓扑优化模型，并确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；(4)根据拓扑优化模型，进行分析求解，获得冷板流道的拓扑形状；(5)根据拓扑优化所得的冷板流道拓扑形式，确定流道几何参数，建立冷板的三维几何模型；(6)根据冷板的三维几何模型，建立冷板的有限元模型，并施加冷板的边界条件；(7)根据冷板的有限元模型以及冷板入口的独立参数，采用CFX软件分析计算冷板表面的温度分布；(8)根据冷板表面的温度分布，计算温度分布均方根值RMS_T，判断是否满足所需要求，若满足，则得到冷板设计方案；否则修改流道几何参数，重复(4)到(8)，直至满足要求；所述步骤(3)中，建立冷板拓扑优化模型，包括如下步骤：(3a)根据冷板设计目标，建立目标函数，此处以流体流动最小耗散功和表面温度均方根值最小为目标函数，如下式所示：F₀＝w₁A+w₂B式中，其中，A表示温度均方根值，B表示流体耗散功，w₁、w₂分别表示目标函数中不同项所占比重，γ为设计变量，T为温度，为平均温度，V为固体体积，η为流体动力粘度，α(γ)为阻流系数，u为流体运动速度，x为空间直角坐标，i,j分别为不同坐标角标；(3b)根据步骤(3a)建立的目标函数，建立拓扑优化数学模型：find γmin F₀＝w₁A+w₂Bs.t.▽·u＝0ρ(u·▽)u＝‑▽p+▽·η(▽u+(▽u)^T)‑α(γ)uργC_p(u·▽T)＝k(γ)▽²T+(1‑γ)Q0≤γ≤1其中，▽为哈密顿算子，ρ为流体密度，C_p为流体定压比热容，k(γ)为导热系数，Q为热源项；(3c)根据功率器件的尺寸、位置和发热功率，确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度，其中发热面积取功率器件与冷板的接触面积，为功率器件的底面积，功率密度为器件功率与接触面积的比值，其计算公式如下：其中，Q为功率密度，P_power为器件功率，A_contact为功率器件与冷板的接触面积；(3d)根据热源的特性参数，冷板的尺寸参数以及冷却系统的特性参数，建立优化域的几何模型并设置边界条件。