[发明专利]一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法

权利要求书

1.一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(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；

(2)根据确定的热流密度与外形尺寸，确定散热器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和属性；

(3)根据现场功率器件的分布，用B样条曲线函数拟合并参数化流道轨迹；

(4)根据现场所需流道横截面形状，确定局部坐标系中对应的横截面参数方程；

(5)根据确定的横截面参数方程，进一步通过伯恩斯坦函数参数化流道横截面的线段截距；

(6)根据确定的流道轨迹的B样条曲线函数，进一步通过伯恩斯坦函数定义流道参数方程，进而确定整个流道构型；

(7)根据工程需求，构建包括嵌入伯恩斯坦函数中的系数作为设计变量、散热器与功率器件接触面最小平均温度为目标函数、空间尺寸约束的优化准则，建立共轭传热散热器的形状优化模型；

(8)根据形状优化模型，施加边界条件，建立散热器的有限元模型；

(9)根据散热器的有限元模型，采用线性近似约束优化算法COBYLA优化目标函数，获得改进后的散热器与功率器件接触面的温度分布。

2.根据权利要求1所述的一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述散热器出入口几何尺寸参数包括入口直径R_in和出口直径R_out；所述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和离散热源Q；所述流动属性参数包括入口压力P_in和出口压力P_out；散热系统中固体材料为铝，流体材料为水，所述散热系统属性包括固体导热率k_s、流体导热率k_f、流体定压比热容C_p和流体密度ρ。

3.根据权利要求1所述的一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法，其特征在于，步骤(3)中，所述根据现场功率器件的分布，用样条曲线插值函数拟合并参数化流道轨迹，其拟合在xoy平面内进行，流道轨迹为流道中心线，z为高度方向，其第i段曲线插值显函数为其中，和为显函数的采样值，为通过对应采样值确定的流道轨迹位置，C为常数；所有操作于高度方向某一固定xoy平面进行，值取对应高度尺寸常数C。

4.根据权利要求3所述的一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法，其特征在于，步骤(4)中，现场所需流道横截面形状为四边形横截面，其局部坐标xoz系统下对应的横截面参数方程为：

其中，分别表示第i段曲线在笛卡尔坐标系下x轴正半轴、z轴正半轴、x轴负半轴和z轴负半轴的参数方程，θ是关于流道横截面形状参数方程的采样值；分别表示组成四边形的线段在x轴正半轴、z轴正半轴、x轴负半轴和z轴负半轴的截距；为xoz平面的位置。

5.根据权利要求4所述的一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法，其特征在于，步骤(5)中，通过伯恩斯坦函数将流道参数化步骤(4)中的截距，其参数方程变为：

其中，分别表示第i段曲线在笛卡尔坐标系下重新定义的x轴正半轴、z轴正半轴、x轴负半轴和z轴负半轴的参数方程；为四边形横截面中四个线段的截距参数方程，t是截距参数方程的采样值；截距参数方程可进一步用伯恩斯坦方程表示为：

其中，j为四边形横截面中线段截距参数方程的控制点采样值；αi-α，βi-β，μi-μ，ηi-η分别为关于第i段曲线控制采样点的最小值；αi，βi，μi，ηi分别为控制点采样点的最大值；α，β，μ，η分别表示控制采样点最小值与最大值中的系数；分别表示用伯恩斯坦函数表示四边形横截面中四个线段截距参数方程的系数；分别表示四个截距方程中关于对应系数α，β，μ，η与控制点采样值j的二项式系数。