[发明专利]一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法

说明书

本发明公开了一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法，包括确定共轭传热散热器出入口位置、几何尺寸、系统边界参数；采用B样条曲线函数拟合流道轨迹；以伯恩斯坦函数确定流道横截面，在二维层面提供四个自由度；用伯恩斯坦函数表示旋转角，提供不同视角来分析散热性能；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，改善了重要平面的温度分布，对指导电子设备的共轭传热散热器设计有着重要的意义。

技术领域

本发明属于电子设备领域，具体涉及结合参数化流道横截面与形状优化方法对电子散热器的设计，可用于指导高功率电子设备液冷散热器的设计。

背景技术

散热器对维持电子设备的稳定性、可靠性以及寿命起着至关重要的作用。即使理论上设计出的电子设备在主观性能上充分满足工程需求，但如果热耗散问题得不到有效地解决，整个系统设计效果将会大打折扣。因此，热管理在设计之初也必须给予充分考虑。相对其他热管理方法，共轭传热方式在工程实践中已被广泛而有效地运用，具体包括空冷与液冷等手段。随着高功耗、高集成度的电子设备以及高复杂度工作环境问题不断涌现，落后技术与日益增长的需求这一矛盾亟需解决。计算机技术的发展与数值方法理论的研究使得利用先进技术处理热耗散问题成为可能。形状优化与拓扑优化作为先进技术在结构设计方面的优势十分显著，然而拓扑优化理论还未成熟，距离有效的工程应用还有一段路要走。形状优化作为相对成熟的方法已被应用于大量的工程实践中。另一方面，大量关于横截面的研究仅仅简单地停留在各个不同截面形状的研究，通过类比得到相对初始设计比较好的结果。或者设计出一些新颖的截面形状，一定程度上也有效地解决了电子设备热耗散问题。然而，这些研究在进行三维问题分析时，对截面形状只是简单地挤压拉伸，截面尺寸作为整体获得三维流道分布。这往往导致需要牺牲一些特殊位置对热耗散的影响，如高热密度对应的流道位置。

发明内容

为了释放几何横截面尺寸对热耗散问题的约束，本发明目的在于提供一种变截面流道共轭传热散热器优化设计方法。以最小重要平面的平均温度为目标，在限制空间约束下进一步提高散热器的散热性能，考虑到采用液体作为共轭传热散热器的运输工质，以提高液冷散热器的高效性能。该发明进一步挖掘了横截面几何尺寸对改善散热性能的潜力，为工程实践提供了理论基础。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

(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。