[发明专利]一种基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法

权利要求书

1.一种基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据电子器件的工作状态，确定生热源Q的分布情况和散热器的边界条件和模型尺寸参数；

(2)根据冷却泵的输出特性，确定散热器通道入口的独立参数和选用的冷却液热属性参数；

(3)根据电子器件的热控目标以及功率密度、模型尺寸参数以及散热器的入口独立参数，建立三维拓扑优化的几何模型和数学模型；

(4)根据三维拓扑优化数学模型，选择优化求解器进行分析求解，获得最优化的散热器冷却通道的直接三维拓扑结构；

(5)根据优化所得的通道直接三维拓扑结构，对其进行光滑化处理，提取拓扑边界，建立优化的散热器三维几何模型；

(6)根据散热器的三维几何模型，设置入口边界条件和热边界条件，进行网格划分，建立散热器的有限元模型；

(7)基于共轭传热分析方法，采用商业CFD软件分析求解功率器件温度场、冷却通道速度场和压力场分布；

(8)根据功率器件的温度场分布，计算器件平均温度值、最高温度值，判断是否满足散热要求，若满足，采用此散热器设计方案；否则修改冷却通道几何参数和拓扑优化相关控制因子，重复步骤(4)～(8)，直至满足要求。

2.根据权利要求1所述的基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所确定的生热源Q的分布情况包括生热源的位置、形式和数值大小信息；其中，热源形式为温度或热流密度；

所确定的散热器的边界条件为已知散热器边界处的温度或热流密度信息；

所确定的模型尺寸参数包括长L、宽W和高H。

3.根据权利要求1所述的基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，散热器通道入口独立参数包括入口压力P₀和入口温度T₀，冷却液热属性参数包括热传导系数k_f、定压比热容C_p和密度ρ。

4.根据权利要求1所述的基于三维拓扑优化的散热器冷却通道设计方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据热控要求，建立三维拓扑优化的几何模型和数学模型，包括如下步骤：

(3a)对散热器实际模型进行简化，对热源形式、边界条件进行等效，设置热源、边界条件，建立简化的几何模型；

(3b)根据电子器件的热控要求，建立拓扑优化目标函数，此处以平均温度最小化和流体功率耗散最小化的加权和F_o为目标函数，如下式所示：

F_o＝ω₁J_th+ω₂J_f

式中，

其中，J_th表示热目标函数为平均温度，J_f表示流体流动目标函数为流体功率耗散，ω₁和ω₂为权重系数，γ为拓扑优化设计变量，T为温度，k(γ)为导热系数，ρ为流体密度，C_p为流体定压比热容，Ω_d为拓扑优化设计域，u为流体速度矢量，p为压力，Γ为域边界，n为边界Γ的单位法向量；

(3c)基于拓扑优化方法，共轭传热和流体流动控制方程，建立拓扑优化数学模型：

find γ

minimize F_o＝ω₁J_th+ω₂J_f

0≤γ≤1

其中，为哈密顿算子，η为流体动力粘度，α(γ)为反渗透率，Q为生热源项，V^*为流体体积分数。