本發(fā)明屬于電子設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及基于拓?fù)鋬?yōu)化的電子設(shè)備散熱冷板流道設(shè)計(jì)方法，可用于指導(dǎo)高功率電子設(shè)備散熱的冷板設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
：隨著電子和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的尺寸越來(lái)越小，系統(tǒng)組裝密度越來(lái)越高，從而導(dǎo)致了電子設(shè)備的熱流密度越來(lái)越大。高熱流密度將對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生一系列的影響，例如在固態(tài)雷達(dá)發(fā)射機(jī)中，功率晶體管的結(jié)溫每增加10℃，其可靠性就會(huì)下降60％；美軍整體計(jì)劃分析報(bào)告中指出，電子設(shè)備的失效55％是由溫度引起的，另外“10℃法則”也指出，半導(dǎo)體器件的溫度每升高10℃，其可靠性就會(huì)降低50％。因此，對(duì)高熱流密度電子設(shè)備進(jìn)行高效的散熱，是保證電子設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)，也是提高其可靠性的重要途徑。液冷冷板由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、冷卻效率高等特點(diǎn)，在高熱流密度電子設(shè)備的冷卻中得到了廣泛的應(yīng)用。常見(jiàn)的冷板有s形流道冷板、y形流道冷板和z形流道冷板等，冷板的流道形式一般都是依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而這樣的設(shè)計(jì)方式無(wú)法全面考慮流道占冷板總體積的合理性，對(duì)于熱源呈現(xiàn)復(fù)雜布局的情況也無(wú)法給出高效、合理的流道布局。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的冷板流道設(shè)計(jì)方法，該方法能夠合理考慮管道占冷板體積比重并實(shí)現(xiàn)冷板高效散熱、改善溫度分布的均勻性，對(duì)指導(dǎo)電子設(shè)備的冷板設(shè)計(jì)有重要意義。本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一種基于拓?fù)鋬?yōu)化的冷板流道設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：(1)根據(jù)電子設(shè)備的裝配圖，確定其中功率器件的表面熱流密度q和冷板的外框尺寸參數(shù)；(2)根據(jù)電子設(shè)備所采用的冷卻泵，確定冷板入口的獨(dú)立參數(shù)和冷卻液熱屬性參數(shù)；(3)根據(jù)冷板所要達(dá)到的目標(biāo)以及功率器件參數(shù)、冷板外框尺寸參數(shù)以及冷板入口的獨(dú)立參數(shù)，建立冷板拓?fù)鋬?yōu)化模型，并確定熱源的幾何中心位置、發(fā)熱面積和功率密度；(4)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化模型，進(jìn)行分析求解，獲得冷板流道的拓?fù)湫螤睿?5)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化所得的冷板流道拓?fù)湫问剑_定流道幾何參數(shù)，建立冷板的三維幾何模型；(6)根據(jù)冷板的三維幾何模型，建立冷板的有限元模型，并施加冷板的邊界條件；(7)根據(jù)冷板的有限元模型以及冷板入口的獨(dú)立參數(shù)，采用cfx軟件分析計(jì)算冷板表面的溫度分布；(8)根據(jù)冷板表面的溫度分布，計(jì)算溫度分布均方根值rmst，判斷是否滿足所需要求，若滿足，則得到冷板設(shè)計(jì)方案；否則修改流道幾何參數(shù)，重復(fù)(4)到(8)，直至滿足要求。進(jìn)一步，所述冷板的外框尺寸參數(shù)包括寬w、長(zhǎng)l以及高h(yuǎn)。進(jìn)一步，所述步驟(2)中，冷板入口的獨(dú)立參數(shù)包括入口速度v和入口溫度t0，冷卻液熱屬性參數(shù)包括熱傳導(dǎo)率kf、定壓比熱容cp和密度ρ。進(jìn)一步，建立冷板拓?fù)鋬?yōu)化模型，包括：(3a)根據(jù)冷板設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)，此處以流體流動(dòng)最小耗散功和表面溫度均方根值最小為目標(biāo)函數(shù)；(3b)根據(jù)步驟(3a)建立的目標(biāo)函數(shù)，建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型；(3c)根據(jù)功率器件的尺寸、位置和發(fā)熱功率，確定熱源的幾何中心位置、發(fā)熱面積和功率密度，其中發(fā)熱面積取功率器件與冷板的接觸面積，一般為功率器件的底面積，功率密度為器件功率與接觸面積的比值，其計(jì)算公式如下：其中，q為功率密度，ppower為器件功率，acontact為功率器件與冷板的接觸面積。(3d)根據(jù)熱源的特性參數(shù)，冷板的尺寸參數(shù)以及冷卻系統(tǒng)的特性參數(shù)，建立優(yōu)化域的幾何模型并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。進(jìn)一步，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化模型，獲得冷板流道的拓?fù)湫螤?，包括?4a)根據(jù)步驟(3)所建立的拓?fù)鋬?yōu)化模型，進(jìn)行網(wǎng)格剖分；(4b)選取優(yōu)化算法，這里選取移動(dòng)漸進(jìn)算法mma，設(shè)置最大迭代步數(shù)為500，設(shè)置收斂精度為1e-4。進(jìn)一步，網(wǎng)格剖分可以用四邊形網(wǎng)格，也可以采用三角形網(wǎng)格，局部曲率大的地方還需要進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。進(jìn)一步，所述步驟(5)中，確定流道幾何參數(shù)，建立冷板的幾何模型，包括：(5a)根據(jù)步驟(4)所得的結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行濾波處理，并輸出，濾波處理；(5b)根據(jù)步驟(5a)所得的結(jié)果，在cad軟件中通過(guò)b樣條進(jìn)行插值擬合，確定流道高h(yuǎn)，獲得光滑的切面流道圖，然后根據(jù)冷板的尺寸參數(shù)進(jìn)行三維造型，建立冷板三維幾何模型。進(jìn)一步，所述步驟(6)中，建立冷板的有限元模型，包括：(6a)對(duì)將三維冷板幾何模型導(dǎo)入到cae軟件中，根據(jù)功率器件的參數(shù)設(shè)置冷板分析的邊界條件；(6b)根據(jù)冷板幾何模型尺寸，設(shè)定網(wǎng)格尺寸大小，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格剖分，獲得冷板有限元模型；(6c)根據(jù)冷卻設(shè)備信息，施加冷卻液入口流速、入口溫度以及出口靜壓流體流動(dòng)邊界條件；(6d)根據(jù)功率器件的表面熱流密度q及其位置信息施加熱源邊界條件；在無(wú)對(duì)流換熱和傳導(dǎo)換熱邊界處施加絕熱邊界條件。所述步驟(6c)中，根據(jù)冷卻設(shè)備信息，施加冷卻液入口流速、入口溫度以及出口靜壓流體流動(dòng)邊界條件為入口流速v0、入口溫度t0和出口靜壓p0。所述步驟(6d)中，根據(jù)功率器件的表面熱流密度q及其位置信息施加熱源邊界條件；在無(wú)對(duì)流換熱和傳導(dǎo)換熱邊界處施加絕熱邊界條件。進(jìn)一步，所述步驟(8)中，溫度分布均方根值rmst通過(guò)下式計(jì)算：其中，為平均溫度，ti為結(jié)點(diǎn)溫度，n為結(jié)點(diǎn)總數(shù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)：1.在工程中，冷板流道的設(shè)計(jì)直接決定了冷板散熱效果的好壞，本發(fā)明提出了一種基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的冷板設(shè)計(jì)方法，從實(shí)際冷板散熱需求出發(fā)，以流體流動(dòng)最小耗散功和最小表面溫度均方根值為加權(quán)目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，然后依照冷板尺寸大小設(shè)計(jì)優(yōu)化區(qū)域，建立拓?fù)鋬?yōu)化分析模型；通過(guò)優(yōu)化算法獲得最佳冷板流道拓?fù)湫问?，然后進(jìn)行冷板三維模型分析驗(yàn)證。相對(duì)于普通s型流道冷板，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到冷板散熱能力明顯提高，且溫度均勻性更好。2.本發(fā)明與傳統(tǒng)的冷板設(shè)計(jì)方法相比，適用于任意熱源排布的冷板流道設(shè)計(jì)，尤其可以解決復(fù)雜發(fā)熱器件排布的散熱問(wèn)題。對(duì)于不同熱源排布的冷板，該方法能夠根據(jù)熱源的位置，自動(dòng)調(diào)整流道的拓?fù)湫问?，使得冷板能夠最大限度帶走熱源所產(chǎn)生的熱量，具有很強(qiáng)的通用性和工程意義。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明基于拓?fù)鋬?yōu)化的冷板流道設(shè)計(jì)方法的流程圖；圖2是拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型的示意圖；圖3是拓?fù)鋬?yōu)化所得冷板流道示意圖；圖4是冷板幾何模型示意圖；圖5是冷板表面溫度示意圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但并不作為對(duì)發(fā)明做任何限制的依據(jù)。參照?qǐng)D1，本發(fā)明為基于拓?fù)鋬?yōu)化的冷板流道設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下：步驟1，確定功率器件參數(shù)和冷板尺寸參數(shù)根據(jù)電子設(shè)備的裝配圖和說(shuō)明圖，確定功率器件的表面熱流密度q以及冷板的尺寸參數(shù)：長(zhǎng)l，寬w以及高h(yuǎn)。步驟2，確定冷板入口獨(dú)立變量根據(jù)電子設(shè)備所采用的冷卻泵等設(shè)備，確定冷板入口的獨(dú)立參數(shù)：冷卻液入口速度v、入口溫度t0，冷卻液熱屬性參數(shù)：熱傳導(dǎo)率kf、定壓比熱容cp和密度ρ。步驟3，建立冷板流道拓?fù)鋬?yōu)化模型建立冷板流道拓?fù)鋬?yōu)化模型包括以下步驟：(3a)根據(jù)冷板的設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)：冷板表面的溫度均方根值rmst為冷板散熱性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一，以此作為目標(biāo)；另外考慮到流體流動(dòng)要盡量減少壓力損失，否則會(huì)造成對(duì)泵的要求過(guò)高，所以流體流動(dòng)耗散功φ也作為目標(biāo)。然后通過(guò)加權(quán)函數(shù)來(lái)將兩個(gè)目標(biāo)集成為一個(gè)，如下所示：f0＝w1a+w2b式中，其中，a表示溫度均方根值，b表示流體耗散功，w1、w2分別表示目標(biāo)函數(shù)中不同項(xiàng)所占比重，γ為設(shè)計(jì)變量，t為溫度，為平均溫度，v為固體體積，η為流體動(dòng)力粘度，α(γ)為阻流系數(shù)，u為流體運(yùn)動(dòng)速度，v為固體體積，x為空間直角坐標(biāo)，i,j分別為不同坐標(biāo)角標(biāo)；(3b)考慮各個(gè)場(chǎng)的控制方程及其約束，建立拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型如下所示：findγminf0＝w1a+w2b0≤γ≤1其中，為哈密頓算子，ρ為流體密度，cp為流體定壓比熱容，k(γ)為導(dǎo)熱系數(shù)，q為熱源項(xiàng)，；(3c)根據(jù)功率器件的尺寸、位置和發(fā)熱功率，確定熱源在設(shè)計(jì)域中的位置，發(fā)熱面積以及表面熱流密度。如圖2所示，電子設(shè)備的熱源全部覆蓋冷板表面，我們認(rèn)為冷板表面可以為均布熱源；電子設(shè)備的功率為ppower，與冷板的接觸面積為acontact，則表面熱流密度為(3d)根據(jù)熱源的特性參數(shù)、冷板尺寸參數(shù)和冷卻系統(tǒng)的特性參數(shù)，建立二維優(yōu)化域的幾何模型并設(shè)置邊界條件。如圖2所示，優(yōu)化域的幾何模型為長(zhǎng)l、寬w的矩形域；左右兩端設(shè)立入口和出口；由于對(duì)稱性，只需分析一半的設(shè)計(jì)域，故此在中間設(shè)置對(duì)稱邊界條件；冷板的入口處施加入口流速、入口溫度等邊界條件，施加邊界條件為入口流速v0，入口溫度t0，出口靜壓p0；在除出入口以及對(duì)稱邊界外的其他邊界處設(shè)置絕熱邊界條件，施加邊界條件為熱通量為零；在設(shè)計(jì)域中施加均布熱源。步驟4，分析求解拓?fù)鋬?yōu)化模型并獲得流道拓?fù)湫螤?4a)根據(jù)所建立的拓?fù)鋬?yōu)化分析模型，進(jìn)行網(wǎng)格剖分?？梢圆捎盟倪呅尉W(wǎng)格，也可以采用三角形網(wǎng)格，對(duì)于局部曲率較大的地方在進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化；(4b)選取優(yōu)化算法，可以選非線性序列二次規(guī)劃算法snopt或是移動(dòng)漸進(jìn)算法mma，這里選取移動(dòng)漸進(jìn)算法，設(shè)置最大目標(biāo)計(jì)算次數(shù)為500次，收斂精度設(shè)定為1e-4。步驟5，建立三維冷板幾何模型(5a)由拓?fù)鋬?yōu)化所得到的結(jié)果，先對(duì)其進(jìn)行濾波處理并輸出。如圖3所示，濾波按照以下方式進(jìn)行：其中，γ為設(shè)計(jì)變量；(5b)由濾波后的結(jié)果，導(dǎo)入到cad軟件中進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)：首先對(duì)輪廓進(jìn)行b樣條曲線插值擬合確定流道高h(yuǎn)，獲得光滑的切面流道圖，然后根據(jù)冷板尺寸以及流道的高度，建立冷板三維幾何模型。如圖4所示。步驟6，根據(jù)冷板幾何模型建立三維冷板有限元分析模型(6a)將構(gòu)造好的三維冷板幾何模型導(dǎo)入到cae軟件中，根據(jù)冷板幾何信息，設(shè)定網(wǎng)格尺寸大小，采用四面體單元對(duì)冷板和流體進(jìn)行網(wǎng)格剖分，獲得冷板有限元模型；(6b)根據(jù)冷卻設(shè)備等信息，施加冷卻液入口流速、入口溫度以及出口靜壓等流體流動(dòng)邊界條件，邊界條件為入口流速v0，入口溫度t0，出口靜壓p0；根據(jù)功率器件的參數(shù)：表面熱流密度q及其位置信息施加熱源邊界條件，邊界條件為表面熱流密度q；在無(wú)對(duì)流換熱和傳導(dǎo)換熱邊界處施加絕熱邊界條件，邊界條件為熱通量為零；(6c)根據(jù)冷卻設(shè)備信息，施加冷卻液入口流速、入口溫度以及出口靜壓流體流動(dòng)邊界條件；邊界條件為入口流速v0、入口溫度t0和出口靜壓p0；(6d)根據(jù)功率器件的表面熱流密度q及其位置信息施加熱源邊界條件；在無(wú)對(duì)流換熱和傳導(dǎo)換熱邊界處施加絕熱邊界條件，在無(wú)對(duì)流換熱和傳導(dǎo)換熱邊界處施加絕熱邊界條件。步驟7，計(jì)算冷板表面溫度分布根據(jù)所建立的三維冷板有限元模型，采用cfx軟件分析計(jì)算冷板表面溫度分布。冷板表面溫度見(jiàn)圖5所示。步驟8，計(jì)算冷板表面溫度均勻性并判斷是否滿足要求(8a)根據(jù)所求得的冷板溫度場(chǎng)分布，提取冷板表面溫度分布數(shù)據(jù)；(8b)根據(jù)冷板表面溫度分布數(shù)據(jù)，計(jì)算表面溫度均方根值rmst，冷板表面溫度均方根值rmst的計(jì)算公式如下所示：其中，為平均溫度，ti為結(jié)點(diǎn)溫度，n為結(jié)點(diǎn)總數(shù)；(8c)根據(jù)計(jì)算所得冷板表面溫度均方根值，判斷冷板流道設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果滿足要求，則設(shè)計(jì)結(jié)束；如果不滿足要求，則重復(fù)步驟4至步驟8，直到完成滿足設(shè)計(jì)要求的冷板流道設(shè)計(jì)。冷板流道設(shè)計(jì)是否滿足要求的判斷準(zhǔn)則如下：tmax≤[tup],rmst≤[rmst]。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)以下的仿真算例得到進(jìn)一步的說(shuō)明：1.仿真參數(shù)冷板尺寸為100mm*100mm，熱源為均布熱源，熱流密度為q＝2*104w/m2，入口流速為v0＝0.01m/s，入口溫度為t0＝293k，出口靜壓為0pa。取冷板的中間層作二維拓?fù)淞鞯纼?yōu)化設(shè)計(jì)，仿真設(shè)計(jì)域以及邊界條件的施加如圖2所示。2.仿真內(nèi)容與結(jié)果利用本發(fā)明的方法，構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化模型并對(duì)冷板進(jìn)行流道拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如表1所示。表1拓?fù)鋬?yōu)化流道設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)流道設(shè)計(jì)散熱性能對(duì)比方案最高溫度溫度均方根值拓?fù)鋬?yōu)化63.02℃1.790℃?zhèn)鹘y(tǒng)69.02℃2.000℃從表1可見(jiàn)，采用本方法所得的流道拓?fù)湫问捷^傳統(tǒng)流道形式能夠更好的散熱，最高溫度下降了6℃，溫度均方根值下降了0.21℃，能夠更有效地散熱保證電子設(shè)備的正常工作。本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例，在本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開(kāi)的技術(shù)內(nèi)容，不需要?jiǎng)?chuàng)造性的勞動(dòng)就可以對(duì)其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)12