[发明专利]一种基于流道轨迹优化的共轭传热散热器设计方法

权利要求书

1.一种基于流道轨迹优化的共轭传热散热器设计方法，其特征在于：

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；根据确定的热流密度与外形尺寸，确定散热器的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；其中所述散热器入口直径R_in、出口直径R_out；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，离散热源Q；流动属性参数包括入口压力P_in，出口压力P_out；散热系统材料属性包括固体铝与流体水，有固体导热率k_s，流体导热率k_f，流体定压比热容C_p，流体密度ρ；

步骤2、根据现场功率器件的分布，用伯恩斯坦函数拟合并参数化流道轨迹；约定其拟合坐标系在xoy平面内进行，z为高度方向，包括如下子步骤：

(2a)根据功率器件的分布，用样条插值曲线函数初步确定流道轨迹，其第i段曲线函数为

(2b)根据步骤(2a)确定的样条插值曲线函数，粗略确定由伯恩斯坦函数定义的流道轨迹，其第i段曲线函数参数方程为：

其中，分别表示在笛卡尔坐标系下关于参数t的伯恩斯坦参数方程；ξ为伯恩斯坦函数的最高幂次；为对应伯恩斯坦函数的系数；

(2c)根据(2a)确定的样条插值曲线函数与(2b)粗略确定的伯恩斯坦曲线函数，当条件为通过最小二乘法，精确确定(2b)中定义的系数其数值模型：

Subject to 0≤t_λ≤1；

其中，这个过程将第i曲线划分为K段，λ(λ＝0,…,K)为其中一个节点；

步骤3、根据确定的流道轨迹的伯恩斯坦函数，进一步确定由伯恩斯坦函数确定曲线法线方向定义的函数，包括如下子步骤：

(3a)根据步骤(2c)精确定义的伯恩斯坦函数，进一步确定由伯恩斯坦函数确定曲线法线方向定义的函数，其参数方程为：

其中，分别表示在笛卡尔坐标系下关于参数t的伯恩斯坦法线方向定义的参数方程；ψ分别为对应伯恩斯坦函数的最高幂次，为对应伯恩斯坦函数的系数，初始值被确定为cosθ与sinθ定位法线方向，dⁱ(t)定义法线方向上距离初始曲线的距离， cosθ与sinθ被确定为：

(3b)根据(3a)确定的由伯恩斯坦确定曲线法线方向定义的函数，其法线方向上距离初始曲线的值dⁱ(t)被定义为：

其中，为距离在法线方向上移动的最大值；sin[bⁱ(t)]为移动的距离与最大值的比例；被定义为：

其中，Δt表示步长；A是由拉格朗日插值法确定的系数矩阵；t^k为的最高次变量；

(3c)根据(3b)确定的法线方向上距离初始曲线的函数，其灵活的自由度由嵌入的函数bⁱ(t)确定，定义为：

其中为bⁱ(t)的最高幂次；为函数bⁱ(t)的系数；

步骤4、根据进一步确定的流道轨迹的伯恩斯坦函数，确定其轨迹的横截面形状，进而确定整个流道构型；

步骤5、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、空间尺寸约束等的优化准则，建立共轭传热散热器的形状优化模型如下：

Subject toφ_min≤φ≤φ_max；

其中，φ为由设计变量组成的向量，其元素包括由(4a)和(4c)定义的系数；φ_min和φ_max分别表示设计变量约束的最小值和最大值；N为构建流道轨迹的曲线数量；为确定表面的平均温度；T(φ)为确定表面的某点温度值，其被设计变量φ隐性表达；Ω为确定表面；

步骤6、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；

步骤7、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，改进散热器与功率器件接触面的温度分布；设置对应的优化容差σ，同时为保证优化过程的稳定性，对设计变量单位化为：

其中，为优化过程中形成的设计变量与初始设计变量φ的单位化值，对应步骤6中的设计变量约束变为：

其中，和分别表示单位化后的设计变量的最小最大值。