本發(fā)明涉及一種液流通道布局設(shè)計方法，特別涉及一種相控陣雷達T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長設(shè)計方法。

技術(shù)背景

相控陣雷達子陣的T/R組件是大的發(fā)熱源，熱流密度很大，同時其對環(huán)境的要求很高，不僅單個組件對工作溫度有較高的要求，還要求組成陣面后各陣元的溫度均衡性要好；高功率密度和大功率器件的散熱通常采用強迫液冷的方式，通過強迫液冷冷板和液冷機組實現(xiàn)；冷板是與發(fā)熱設(shè)備直接接觸的部件，冷板冷卻效果如何，直接影響發(fā)熱器件的工作溫度；當冷板的外形尺寸和安裝位置確定后，對冷板的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就成為關(guān)鍵。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，冷板散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與熱仿真相結(jié)合的方式已經(jīng)成為主流；設(shè)計者依據(jù)經(jīng)驗及直覺設(shè)計出冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，然后利用熱仿真軟件進行仿真分析，得到功率器件的溫度分布情況，驗證其是否滿足使用要求，同時給出冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進措施。這種結(jié)合熱仿真的設(shè)計方式相比于以往的熱實驗的設(shè)計方式，雖然節(jié)約了大量的成本和時間，可以較為簡便地對設(shè)計進行優(yōu)化，但是兩者在設(shè)計流程上均需要重復(fù)設(shè)計、仿真、改進的工作，而且精力都主要集中在了散熱流道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化上；并且采用的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局構(gòu)形通常為直線型、S型或螺旋型，雖然形式簡單，易于加工制造，但是缺乏必要的理論依據(jù)，并且與實際的生熱情況不一定相匹配，難以保證散熱網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)計的最優(yōu)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種相控陣雷達T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長設(shè)計方法，自然存在的分叉結(jié)構(gòu)總是以一種接近全局最優(yōu)的布局生長，特別注意到植物根系的生長受土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度影響，根系最終的結(jié)構(gòu)布局與土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度分布相匹配；如果以相控陣雷達T/R組件的生熱情況代表植物根系生長時土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的分布，則冷板中散熱流道的布局設(shè)計可以通過模擬植物根系在土壤中的生長獲得。根據(jù)冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與植物根系結(jié)構(gòu)具有的關(guān)聯(lián)性，本發(fā)明提出一種新穎的冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長設(shè)計方法，突破了常規(guī)的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程，提高了設(shè)計的效率與質(zhì)量。

為了達到上述目標，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種相控陣雷達T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長設(shè)計方法，包括以下步驟：

1)冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生長的初始化：

1.1)設(shè)計域的構(gòu)建與初始化：根據(jù)實際相控陣雷達T/R組件的熱量生成情況，提取冷板散熱問題的設(shè)計域與熱載荷邊界條件；然后將冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計域中的布局設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為植物根系在設(shè)計域內(nèi)依據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)濃度生長的問題；冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計域?qū)?yīng)土壤中根系的生長區(qū)域，記作Ω，熱載荷邊界條件中的不同熱流密度對應(yīng)設(shè)計域中不同的營養(yǎng)物質(zhì)濃度，并在設(shè)計域建立直角坐標系；

1.2)生長參數(shù)的初始化：首先依據(jù)設(shè)計域的初始化條件為設(shè)計域內(nèi)的有限個節(jié)點設(shè)置初始營養(yǎng)物質(zhì)濃度，且營養(yǎng)物質(zhì)的離散化的表達式記為Q(x，y)；然后指定散熱流體通道模擬生長的初始生長點，初始生長點可以有一個或多個，且設(shè)初始生長點的坐標為(X，Y)；最后對散熱流體通道模擬生長的迭代終止條件等相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置散熱通道的材料消耗上限為V_max，設(shè)置迭代生長的步數(shù)上限為N_max；

2)冷板散熱網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)迭代生長：

2.1)生成初始根：

初始根生長的相關(guān)參數(shù)由人為設(shè)定，包括生長長度dL，生長半徑dR和生長的方向向量(e_x,e_y)；初始生長點經(jīng)過一步生長各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削減附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；

每段根附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度按式(1)削減：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i個節(jié)點當前營養(yǎng)物質(zhì)濃度；Q_i0(x，y)代表第i個節(jié)點在當次削減前的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；μ是一個預(yù)設(shè)的常數(shù)，代表營養(yǎng)物質(zhì)濃度削減的梯度；D_i是第i個節(jié)點與當前根段的距離，D代表根段對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響范圍；

2.2)根系的迭代生長：

每段初始根經(jīng)過迭代生長最終形成根系的一個分支，一步生長迭代中要對根系的每個分支依次進行一步生長；每個分支在一次生長前就已存在的根稱作母根；根系的每一分支按如下的方法進行迭代生長：

2.2.1)在以包含母根的一定生長區(qū)域Ω₁內(nèi)，尋取營養(yǎng)物質(zhì)濃度最高的節(jié)點Q_h，若存在多個濃度最高的點，則隨機取其中的一個；若所有局部生長區(qū)域中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度均為0，則該分支停止生長；

2.2.2)分別連接步驟2.2.1)中所述的營養(yǎng)物質(zhì)濃度最高點與母根每一根段的中點，各自形成一個預(yù)置的分叉；連接過程中如果發(fā)現(xiàn)連接線與其他母根根段相交，則放棄該分叉；若連接過程中所有連接線均與其他母根根段相交，則該分支停止生長；

2.2.3)為確定分支在當次迭代生長中最終的生長布局，需要對步驟2.2.2)所形成的預(yù)置分叉依次進行分析，并且選取其中能夠使得根系材料消耗總體積最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的預(yù)置分叉，并且在根段對應(yīng)的局部生長區(qū)域Ω₂內(nèi)移動分叉點；隨著分叉點的移動不斷按照式(3)、(7)、(8)更新母支與分支的半徑與長度，并且如果分叉發(fā)生在當前分支的中段，則更新應(yīng)該從當前分叉開始直到該分支的末端；

根系分支的每一步生長的優(yōu)化目標為使得根系材料消耗的總體積最小，即根系生長的優(yōu)化目標函數(shù)為：

植物根系作為一種自然分叉結(jié)構(gòu)，在本質(zhì)上類似于流道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；依據(jù)流體理論對植物根系進行的計算機模擬中，需要遵循的法則有：

式中，r₀為母支半徑，r₁、r₂分別為兩個子支的半徑；式(3)即著名的Murray’s法則，滿足Murray’s法則的分叉系統(tǒng)的能量損失最?。?/p>

營養(yǎng)物質(zhì)在根系中運輸時流動控制方程假設(shè)為Poiseuille’s定律，使得流動控制方程大大簡化，如式(4)：

式中，Q為流體通道的體積流率，r為流體通道的當量半徑，ν為流體的動力粘度系數(shù)，ΔP為通道兩端得壓力差，L為通道的軸向長度；

在式(4)下，流體通道的流阻的表達式如式(5)：

式中，R為流體通道的流阻；

假設(shè)每次分叉中兩分支的流量相等，即：

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推導每個分叉中半徑與長度關(guān)系式，即：

然后按照式(9)計算分叉點在每個位置時的根系總體積，并且選擇使得根系材料消耗總體積最小的分叉點最為該預(yù)置分叉的最優(yōu)選擇；

2.2.4)依據(jù)步驟2.2.2)與步驟2.2.3)，對所形成的所有預(yù)置分叉的根系總體積進行比較，按照式(2)選擇使得根系總體積最小的分叉作為當次迭代中根系該分支的最終生長方案；

2.2.5)按照式(1)削減新生成根段附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；該分支在當次迭代中的迭代生長完成，并且形成的根將會作為下一次生長迭代時該分支的母根；

2.3)迭代的終止：

依次對根系中的每個分支按照2.2)進行一步生長完成一次迭代，并重復(fù)，直至達到設(shè)置的迭代步數(shù)上限N_max或者達到材料的消耗上限V_max；

本發(fā)明的有益效果是：

由于本發(fā)明不依賴設(shè)計人員的長期設(shè)計經(jīng)驗，所以能夠減少企業(yè)的設(shè)計人工成本；由于本發(fā)明在流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計中的計算以流道網(wǎng)絡(luò)的材料消耗最小化為目標，和在分叉計算中引入了Murray’s法則以及Poiseuille’s定律，所以能夠生成有明確理論依據(jù)的結(jié)果；由于本發(fā)明是通過模擬植物根系在土壤中受營養(yǎng)物質(zhì)濃度支配的生長來進行散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局優(yōu)化設(shè)計，所以從設(shè)計出原理上就更加接近一種流道網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)，使得設(shè)計結(jié)果更加合理；與目前主流的冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局設(shè)計方法相比，使用本發(fā)明進行設(shè)計時，不再需要重復(fù)設(shè)計、仿真、改進的工作，明顯提高了工作效率與設(shè)計質(zhì)量，從而能夠幫助企業(yè)更好地應(yīng)對迅速變化得市場，實現(xiàn)更好的生產(chǎn)效益。

附圖說明

圖1為實施例的設(shè)計域及其轉(zhuǎn)化示意圖，其中圖1(a)為散熱問題的設(shè)計域及邊界條件；圖1(b)為散熱問題的轉(zhuǎn)化及直角坐標系的建立。

圖2為實施例根系對附近營養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響范圍示意圖。

圖3為實施例模擬根系生長過程示意圖。

圖4為實施例模擬生長完成后得到的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的設(shè)計方法可對各類生熱結(jié)構(gòu)進行散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局優(yōu)化設(shè)計，下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作詳細描述。

一種相控陣雷達T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長設(shè)計方法，包括以下步驟：

1)冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生長的初始化：

1.1)設(shè)計域的構(gòu)建與初始化：參照圖1，根據(jù)實際相控陣雷達T/R組件的熱量生成情況，提取冷板散熱問題的設(shè)計域與熱載荷邊界條件；然后將冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計域中布局設(shè)計的問題轉(zhuǎn)化為植物根系在設(shè)計域內(nèi)依據(jù)營養(yǎng)物質(zhì)濃度生長的問題，冷板散熱的設(shè)計域?qū)?yīng)土壤中根系的生長區(qū)域，記作Ω，熱載荷邊界條件中的不同熱流密度對應(yīng)設(shè)計域中不同的營養(yǎng)物質(zhì)濃度，并在設(shè)計域建立直角坐標系；

1.2)生長參數(shù)的初始化：首先依據(jù)設(shè)計域的初始化條件為設(shè)計域內(nèi)的有限個節(jié)點設(shè)置初始營養(yǎng)物質(zhì)濃度，且營養(yǎng)物質(zhì)的離散化的表達式記為Q(x，y)；然后指定散熱流體通道模擬生長的初始生長點，且設(shè)初始生長點的坐標為(20，0)；最后對散熱流體通道模擬生長的迭代終止條件等相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置散熱通道的材料消耗上限為V_max＝0.17V_Ω，設(shè)置迭代生長的步數(shù)上限為N_max＝40；

2)冷板散熱網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)迭代生長：

2.1)生成初始根

初始根生長的相關(guān)參數(shù)由人為設(shè)定，包括生長長度dL＝1，生長半徑dR＝1以及生長的方向向量(0,1)；初始生長點經(jīng)過一步生長各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削減附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；

參照圖2，每段根附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度按式(1)削減：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i個節(jié)點當前營養(yǎng)物質(zhì)濃度；Q_i0(x，y)代表第i個節(jié)點在當次削減前的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；μ是一個預(yù)設(shè)的常數(shù)，代表營養(yǎng)物質(zhì)濃度削減的梯度；D_i是第i個節(jié)點與當前根段的距離，D代表根段對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響范圍；

在本實施例當中取μ＝0.5，D＝4，,則Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-0.5(4-D_i)；

2.2)根系的迭代生長：

參照圖3，初始根經(jīng)過迭代生長最終形成根系的一個分支，一步生長迭代中在一次生長前就已存在的根稱作母根；根系的每一分支按如下的方法進行迭代生長：

2.2.1)在以包含母根的20X20的生長區(qū)域Ω₁內(nèi)，尋取營養(yǎng)物質(zhì)濃度最高的節(jié)點Q_h，若存在多個濃度最高的點，則隨機取其中的一個；若所有局部生長區(qū)域中的營養(yǎng)物質(zhì)濃度均為0，則該分支停止生長；

2.2.2)分別連接步驟2.2.1)中所述的營養(yǎng)物質(zhì)濃度最高點與母根每一根段的中點，各自形成一個預(yù)置的分叉；連接過程中如果發(fā)現(xiàn)連接線與其他母根根段相交，則放棄該分叉；若連接過程中所有連接線均與其他母根根段相交，則該分支停止生長；

2.2.3)為確定分支在當次迭代生長中最終的生長布局，需要對步驟2.2.2)所形成的預(yù)置分叉依次進行分析，并且選取其中能夠使得根系材料消耗總體積最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的預(yù)置分叉，并且在根段對應(yīng)的局部5X5的生長區(qū)域Ω₂內(nèi)移動分叉點；隨著分叉點的移動不斷按照式(3)、(7)、(8)更新母支與分支的半徑與長度，并且如果分叉發(fā)生在當前分支的中段，則更新應(yīng)該從當前分叉開始直到該分支的末端；

根系分支的每一步生長的優(yōu)化目標為使得根系材料消耗的總體積最小，即根系生長的優(yōu)化目標函數(shù)為：

植物根系作為一種自然分叉結(jié)構(gòu)，在本質(zhì)上類似于流道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；依據(jù)流體理論對植物根系進行的計算機模擬中，通常需要遵循的法則有：

式中，r₀為母支半徑，r₁、r₂分別為兩個子支的半徑；式(3)即著名的Murray’s法則，滿足Murray’s法則的分叉系統(tǒng)的能量損失最?。?/p>

營養(yǎng)物質(zhì)在根系中運輸時流動控制方程假設(shè)為Poiseuille’s定律，使得流動控制方程大大簡化，如式(4)：

式中，Q為流體通道的體積流率，r為流體通道的當量半徑，ν為流體的動力粘度系數(shù)，ΔP為通道兩端得壓力差，L為通道的軸向長度；

在式(4)下，流體通道的流阻的表達式如式(5)：

式中，R為流體通道的流阻；

假設(shè)每次分叉中兩分支的流量相等，即：

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推導每個分叉中半徑與長度關(guān)系式，即：

然后按照式(9)計算分叉點在每個位置時的根系總體積，并且選擇使得根系材料消耗總體積最小的分叉點最為該預(yù)置分叉的最優(yōu)選擇；

2.2.4)依據(jù)步驟2.2.2)與步驟2.2.3)，對所形成的所有預(yù)置分叉的根系總體積進行比較，按照式(2)選擇使得根系總體積最小的分叉作為當次迭代中根系該分支的最終生長方案；

2.2.5)按照式(1)削減新生成根段附近的營養(yǎng)物質(zhì)濃度；該分支在當次迭代中的迭代生長完成，并且形成的根將會作為下一次生長迭代時該分支的母根；

2.3)迭代的終止：

依次對根系中的每個分支按照2.2)進行一步生長完成一次迭代，并重復(fù)，直至材料用量達到設(shè)定的材料的消耗體積上限V_max，生長迭代停止；最后生成的布局構(gòu)形如圖4所示，且最終的材料消耗量為17.02％V_Ω。