[发明专利]一种强化毛细作用的均热板吸液芯结构设计方法

权利要求书

1.一种强化毛细作用的均热板吸液芯结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)吸液芯结构一阶构型推导：

均热板吸液芯结构中流道的高度为几十到几百微米，将其视为平行平板间的泊肃叶流，其流量与压力降之间存在比例关系，而稳态热传导状态的平板内热流密度与温度梯度之间也同样存在比例关系，即傅立叶定律，且两者的比例系数均为相关的材料参数；根据关于理想泊肃叶流与稳态导热的相似性分析，以稳态导热问题的优化扇形份数为均热板吸液芯结构拓扑优化的一阶构型；

首先，吸液芯结构分为两大类：冷凝端吸液芯设计中的“面点”(AP)流动问题和蒸发端吸液芯设计中的“面线”(AL)流动问题；然后，推导具有高导热通道的圆盘模型，其中，将圆盘划分份数选择为优化变量，同时以固定高导热通道体积占比和微铣削最小加工尺寸为约束条件；

对于蒸发端，扇形区域的圆周侧为热沉，高导热通道的两端宽度分别为D和mD，长度为L，其火积分为三部分进行求解：

扇形圆心角区域部分火积：

高导热通道火积：

高导热通道两侧区域部分火积：

总火积：

对于冷凝端，扇形区域圆心侧为热沉，高导热通道的两端宽度分别为D和mD，长度为R，其火积分为两部分进行求解：

高导热通道部分火积：

高导热通道两侧区域部分火积：

总火积：

其中R为圆盘半径，q″′为圆盘产热率，w为圆盘厚度，T(x，y)为(x,y)处的温度，α为扇形的圆心角，T_min为热沉处温度。

同时约束冷凝端右侧高导热通道处的热流强度远大于低导热区域处的热流强度，用数学表达式表示为：

通过上述理论上的求解，对应最小火积耗散率，将冷凝端和蒸发端吸液芯圆盘划分份数进行优化，得到吸液芯结构的一阶构型；

(2)微通道毛细力模型构建：

以水在毛细管中上升的高度作为衡量吸液芯工作能力的指标，假设微通道毛细管的长度为L，宽度为W，深度为H，将微通道立于水中，并假设环境温度因素保持恒定，则表面张力通过Helmholtz自由能来表示：

σ_ij＝dE/dA_ij,i,j＝f,s,v and i≠j (9)

其中，A_ij代表交界区域面积，σ_sv、σ_sl和σ_lv分别代表固气、固液和液气的表面张力；则Helmholtz自由能在交界面的变化量表示为：

dE＝σ_lvdA_lv+σ_sldA_sl+σ_svdA_sv (10)

假设某一时刻液面在毛细管中的高度为x，在毛细力的推动下液面上移了一段微小的距离dx，则在液气、固液和固气交界处接触面积变化量为：

dA_lv＝Wdx (11)

dA_sl＝(2H+W)dx (12)

dA_sv＝-(2H+W)dx (13)

当一定体积的液滴附着于平滑固体表面，液滴会沿着固体表面扩散开至固液气三项接触线达到平衡，此时气液界面切线与固液接触面形成的角度即为三项接触角θ；则得到Young接触方程：

σ_sv＝σ_sl+σ_lvcosθ (14)

将式(11)-(14)带入到式(10)可得：

dE＝σ_lv[W-(2H+W)cosθ]dx (15)

则毛细力F通过将dE对dx进行积分得到：

(3)吸液芯内部流道布局设计：

工质在吸液芯中流动的驱动力为吸液芯结构提供的毛细力，当毛细结构为一根圆管时，毛细压力的大小由毛细管的半径决定，对于衡量毛细吸液芯结构而言，毛细压力与渗透率作为两个关键参数，以最大化流道末端表面张力及流速的加权和为拓扑优化目标：

式中：w₁和w₂分别为目标函数中末端表面张力g₁(f)和流速g₂(u)所占的权重；

约束条件设为流道体积占比约束以及设计域约束；

针对双子叶植物叶脉自适应热结构，总结出植物叶脉的分叉规律，并将其运用到均热板吸液芯的结构设计中；假设最终的流道由组件构成，每个组件由一组独立的向量控制X＝[L,t₁,t₂,t₃,θ]^T，通过组件的生长退化变形等来形成流道的布局，具体的生长模拟过程划分为三个步骤：

步骤3.1：初始化，设置蒸发端以及冷凝端的初始边界条件；

步骤3.2：生长竞争，优化每一个组件的尺寸和转向，包括两个子步骤：局部调整以及全局调整；局部调整指的是优化新生成的组件，全部调整指的是对已生成的所有组件进行优化；

步骤3.3：计算分叉阈值和退化阈值，对于新生成的组件，如果该组件末端的厚度大于分叉值，则进一步分叉；如果该组件末端的厚度小于退化阈值，则该组件被移除；如果该组件的厚度介于两个阈值之间，则在该组件的末端不会生长出新的组件；

步骤3.2和步骤3.3交替进行直到高导热通道的体积占比达到设定的体积比，此时高导热通道的布局已经生成；

(4)适应性处理：按照生产工艺要求圆整流道布局，从而获得流道的最终布局。