[发明专利]一种基于灵敏度计算的微通道结构优化设计方法

权利要求书

1.一种基于灵敏度计算的微通道结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定流道设计变量γ，并设定初始值；

γ取值范围为0～1，0代表固体，1代表流体；

步骤2：确定要求解的计算域、液体入口、出口位置及尺寸并划分网格，网格划分为Nelx×Nely个有限元单元；

Nelx：X方向上单元数；

Nely：Y方向上单元数；

步骤3：确定模型关于设计变量γ的数学模型F(u(γ),γ)＝0，确定数学模型的边界条件G(x)＝0和流道体积约束条件∫_Ωγ≤V₀；

上述边界条件G(x)＝0包括：入口与出口的速度、压力、流量信息；

所述流道体积约束条件∫_Ωγ≤V₀式中：

Ω为设计域；

V₀为流道体积；

所述数学模型F(u(γ),γ)＝0为Navier-Stokes方程的变形形式：

式中：

ρ为流道中液体密度；

u为速度矢量；

P为压强；

μ为流体动力粘度；

α(γ)为多孔介质中反渗透率，由下列方程式决定：

式中：

α_min为反渗透率的最小值，取0Pa.s/m²；

α_max为反渗透率的最大值，取1×10⁴～1×10⁷Pa.s/m²；

q为罚参数，取常数，范围为0.01～1；

步骤4：将F(u(γ),γ)＝0改为变分形式；

步骤5：利用有限元法求解变分方程；

步骤6：根据求解获得的速度场u，求解目标函数J；

所述目标函数J由两部分构成，J＝J₁+J₂，J₁为流体出入口压差函数、逆流与正向流动压差比函数、流道流动粘性耗散函数之一，J₂为体积约束函数；

步骤7：利用反向自动微分法，求解目标函数关于设计变量γ灵敏度；

步骤8：判断是否达到收敛条件，如果是，结束优化，并输出流道优化结果；如果否，根据灵敏度利用神经网络更新设计变量γ，跳转到步骤5，直至达到收敛条件，并输出流道优化结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于灵敏度计算的微通道结构优化设计方法，其特征在于，步骤4中所述的动量方程的变分形式为：

式中：v和s分别为u和P的试函数，试函数定义于单元内部的、坐标的连续函数；

u为速度矢量；

P为压强。

3.根据权利要求1所述的一种基于灵敏度计算的微通道结构优化设计方法，其特征在于，所述步骤6中J₁可选用的函数具体为：

流体出入口压差函数：J₁＝P_in-P_out

式中：

P_in为：流道入口压力；

P_out为：流道出口压力；

逆流与正向流动压差比函数：

式中：

ΔP_r为流道逆向流动的入口与出口压差；

ΔP_f为流道正向流动的入口与出口压差；

流道流动粘性耗散函数：

式中：

μ为流体动力粘度；

Ω为设计域；

体积约束函数J₂为：

式中：

w为一常数，范围为0.0001-10000；

n为有限元单元数；

γ为设计变量；

V₀为流道体积。

4.根据权利要求1所述的一种基于灵敏度计算的微通道结构优化设计方法，其特征在于，步骤8中所述收敛条件为目标函数值的相对变化量或迭代次数或设计变量中间值个数。