[发明专利]一种基于流道轨迹优化的共轭传热散热器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于流道轨迹优化的共轭传热散热器设计方法，包括共轭传热散热器出入口位置和几何尺寸及系统边界参数的确定；结合样条曲线函数与最小二乘方法，采用伯恩斯坦函数这一数学工具拟合流道轨迹；又以伯恩斯坦函数确定曲线法线方向进一步定义流道轨迹函数；以圆形作为流道截面形状；以嵌入伯恩斯坦函数的系数作为设计变量、重要平面最小平均温度为目标函数、以空间尺寸约束建立形状优化模型；采用线性近似约束优化算法COBYLA优化流道分布，同时对设计变量归一化提高优化稳定性。本发明能够合理的考虑传统散热器设计方法与常规优化技术应用的不足，进一步释放几何尺寸对共轭传热散热器散热性能的影响，改善重要平面的温度分布。

技术领域

本发明属于电子设备领域。

背景技术

在电子设备系统中，散热装置是必不可少甚至为核心的组件。大部分电子设备在设计之初，必须得充分考虑发热部件、热环境以及随机性热失控等对系统效率、稳定性以及寿命的影响。据统计，超过55％的电子产品由于散热问题得不到很好解决而导致故障发生。为了保证电子装备工作的可靠性与稳定性，并提高其使用寿命，发展新型高效散热技术成为目前迫切的需求。传统设计方法基于经验，通常对给定散热器的几何尺寸通过枚举法进行简单对比，其优势设计灵活，比较直观。然而不可避免的是该设计方法具有随机性、设计周期不定、设计结构不一定为最优等缺点。随着计算机技术与数值方法不断开拓与发展，优化方法作为新型技术很好地被应用在散热器几何结构的设计过程中。最具代表性的方法有形状优化和拓扑优化。通常，拓扑优化在整个设计流程中处于概念设计阶段，其数学论证与工程应用并未成熟，在此之后仍有许多完善工作需进行。形状优化虽有优化结果依赖初始设计猜测的限制，但作为成熟方法已经被广泛地应用于结构设计中。然而，大部分的设计又仅仅是将简单、一目了然的尺寸作为设计变量优化几何结构，这在很大程度上限制了进一步提高散热性能的潜力。本发明通过数值化流道轨迹，并结合形状优化方法，以最小平均温度为目标，进一步改善重要平面的温度分布。在限制空间约束下将几何尺寸改善散热性能的潜能进一步挖掘，其结果可定性理解，定量分析。提出的方法为工程实践提供了理论基础。

发明内容

本发明提供一种基于流道轨迹优化的共轭传热散热器设计方法。采用液体作为共轭传热散热器的运输工质，利用伯恩斯坦函数参数化流道轨迹，该方法进一步挖掘通过改变定义几何尺寸的参数来改善散热性能的潜力。

本发明通过下述技术方案来实现：

步骤1、根据现场电子设备的配置状况，确定功率器件的表面热流密度和散热器的外形尺寸及流道处出入口位置；根据确定的热流密度与外形尺寸，确定散热器的出入口几何尺寸参数、传热属性参数、流动属性参数以及散热系统材料属性；其中所述散热器入口直径R_in、出口直径R_out；传热属性参数包括入口流体温度T_in，与外界对流换热系数h，离散热源Q；流动属性参数包括入口压力P_in，出口压力P_out；散热系统材料属性包括固体铝与流体水，有固体导热率k_s，流体导热率k_f，流体定压比热容C_p，流体密度ρ；

步骤2、根据现场功率器件的分布，用伯恩斯坦函数拟合并参数化流道轨迹；约定其拟合坐标系在xoy平面内进行，z为高度方向，包括如下子步骤：

(2a)根据功率器件的分布，用样条插值曲线函数初步确定流道轨迹，其第i段曲线函数为

(2b)根据步骤(2a)确定的样条插值曲线函数，粗略确定由伯恩斯坦函数定义的流道轨迹，其第i段曲线函数参数方程为：

其中，分别表示在笛卡尔坐标系下关于参数t的伯恩斯坦参数方程；ξ为伯恩斯坦函数的最高幂次；为对应伯恩斯坦函数的系数；

(2c)根据(2a)确定的样条插值曲线函数与(2b)粗略确定的伯恩斯坦曲线函数，当条件为通过最小二乘法，精确确定(2b)中定义的系数其数值模型：