CN106777715B - 一种相控阵雷达t/r组件散热网络的自适应生长设计方法 - Google Patents

Abstract

一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法，首先根据组件的散热情况提取散热问题的设计域与热载荷边界条件，再将其转化为植物根系在设计域内依据营养物质浓度生长的问题；然后进行初始根的生长，并在此基础上进行模拟生长迭代，最终得到冷板散热流道网络的设计布局；使用本发明进行设计时，不再需要重复设计、仿真、改进的工作，突破了常规的散热网络的结构设计流程，提高了设计的效率与质量；由于本发明是通过模拟植物根系在土壤中受营养物质浓度支配的生长来进行散热流道网络的布局优化设计，所以从设计出原理上就更加接近一种流道网络的本质，使得设计结果更加合理。

Description

一种相控阵雷达T/R组件散热网络的自适应生长设计方法

技术领域

本发明涉及一种液流通道布局设计方法，特别涉及一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法。

技术背景

相控阵雷达子阵的T/R组件是大的发热源，热流密度很大，同时其对环境的要求很高，不仅单个组件对工作温度有较高的要求，还要求组成阵面后各阵元的温度均衡性要好；高功率密度和大功率器件的散热通常采用强迫液冷的方式，通过强迫液冷冷板和液冷机组实现；冷板是与发热设备直接接触的部件，冷板冷却效果如何，直接影响发热器件的工作温度；当冷板的外形尺寸和安装位置确定后，对冷板的散热流道网络的结构设计就成为关键。

随着计算机技术的发展，冷板散热结构的设计与热仿真相结合的方式已经成为主流；设计者依据经验及直觉设计出冷板散热流道网络的结构，然后利用热仿真软件进行仿真分析，得到功率器件的温度分布情况，验证其是否满足使用要求，同时给出冷板散热流道网络结构的改进措施。这种结合热仿真的设计方式相比于以往的热实验的设计方式，虽然节约了大量的成本和时间，可以较为简便地对设计进行优化，但是两者在设计流程上均需要重复设计、仿真、改进的工作，而且精力都主要集中在了散热流道网络结构的尺寸优化上；并且采用的散热流道网络的布局构形通常为直线型、S型或螺旋型，虽然形式简单，易于加工制造，但是缺乏必要的理论依据，并且与实际的生热情况不一定相匹配，难以保证散热网络布局设计的最优性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法，自然存在的分叉结构总是以一种接近全局最优的布局生长，特别注意到植物根系的生长受土壤中营养物质的浓度影响，根系最终的结构布局与土壤中营养物质的浓度分布相匹配；如果以相控阵雷达T/R组件的生热情况代表植物根系生长时土壤中营养物质的分布，则冷板中散热流道的布局设计可以通过模拟植物根系在土壤中的生长获得。根据冷板散热流道网络结构与植物根系结构具有的关联性，本发明提出一种新颖的冷板散热流道网络的自适应生长设计方法，突破了常规的散热流道网络的结构设计流程，提高了设计的效率与质量。

为了达到上述目标，本发明采取的技术方案是：

一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法，包括以下步骤：

1)冷板散热流道网络自适应生长的初始化：

1.1)设计域的构建与初始化：根据实际相控阵雷达T/R组件的热量生成情况，提取冷板散热问题的设计域与热载荷边界条件；然后将冷板散热流道网络在设计域中的布局设计问题转化为植物根系在设计域内依据营养物质浓度生长的问题；冷板散热流道网络的设计域对应土壤中根系的生长区域，记作Ω，热载荷边界条件中的不同热流密度对应设计域中不同的营养物质浓度，并在设计域建立直角坐标系；

1.2)生长参数的初始化：首先依据设计域的初始化条件为设计域内的有限个节点设置初始营养物质浓度，且营养物质的离散化的表达式记为Q(x，y)；然后指定散热流体通道模拟生长的初始生长点，初始生长点可以有一个或多个，且设初始生长点的坐标为(X，Y)；最后对散热流体通道模拟生长的迭代终止条件等相关参数进行设置，设置散热通道的材料消耗上限为V_max，设置迭代生长的步数上限为N_max；

2)冷板散热网络的自适应迭代生长：

2.1)生成初始根：

初始根生长的相关参数由人为设定，包括生长长度dL，生长半径dR和生长的方向向量(e_x,e_y)；初始生长点经过一步生长各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削减附近的营养物质浓度；

每段根附近的营养物质浓度按式(1)削减：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i个节点当前营养物质浓度；Q_i0(x，y)代表第i个节点在当次削减前的营养物质浓度；μ是一个预设的常数，代表营养物质浓度削减的梯度；D_i是第i个节点与当前根段的距离，D代表根段对土壤中营养物质浓度的影响范围；

2.2)根系的迭代生长：

每段初始根经过迭代生长最终形成根系的一个分支，一步生长迭代中要对根系的每个分支依次进行一步生长；每个分支在一次生长前就已存在的根称作母根；根系的每一分支按如下的方法进行迭代生长：

2.2.1)在以包含母根的一定生长区域Ω₁内，寻取营养物质浓度最高的节点Q_h，若存在多个浓度最高的点，则随机取其中的一个；若所有局部生长区域中的营养物质浓度均为0，则该分支停止生长；

2.2.2)分别连接步骤2.2.1)中所述的营养物质浓度最高点与母根每一根段的中点，各自形成一个预置的分叉；连接过程中如果发现连接线与其他母根根段相交，则放弃该分叉；若连接过程中所有连接线均与其他母根根段相交，则该分支停止生长；

2.2.3)为确定分支在当次迭代生长中最终的生长布局，需要对步骤2.2.2)所形成的预置分叉依次进行分析，并且选取其中能够使得根系材料消耗总体积最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的预置分叉，并且在根段对应的局部生长区域Ω₂内移动分叉点；随着分叉点的移动不断按照式(3)、(7)、(8)更新母支与分支的半径与长度，并且如果分叉发生在当前分支的中段，则更新应该从当前分叉开始直到该分支的末端；

根系分支的每一步生长的优化目标为使得根系材料消耗的总体积最小，即根系生长的优化目标函数为：

植物根系作为一种自然分叉结构，在本质上类似于流道网络系统；依据流体理论对植物根系进行的计算机模拟中，需要遵循的法则有：

式中，r₀为母支半径，r₁、r₂分别为两个子支的半径；式(3)即著名的Murray’s法则，满足Murray’s法则的分叉系统的能量损失最小；

营养物质在根系中运输时流动控制方程假设为Poiseuille’s定律，使得流动控制方程大大简化，如式(4)：

式中，Q为流体通道的体积流率，r为流体通道的当量半径，ν为流体的动力粘度系数，ΔP为通道两端得压力差，L为通道的轴向长度；

在式(4)下，流体通道的流阻的表达式如式(5)：

式中，R为流体通道的流阻；

假设每次分叉中两分支的流量相等，即：

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推导每个分叉中半径与长度关系式，即：

然后按照式(9)计算分叉点在每个位置时的根系总体积，并且选择使得根系材料消耗总体积最小的分叉点最为该预置分叉的最优选择；

2.2.4)依据步骤2.2.2)与步骤2.2.3)，对所形成的所有预置分叉的根系总体积进行比较，按照式(2)选择使得根系总体积最小的分叉作为当次迭代中根系该分支的最终生长方案；

2.2.5)按照式(1)削减新生成根段附近的营养物质浓度；该分支在当次迭代中的迭代生长完成，并且形成的根将会作为下一次生长迭代时该分支的母根；

2.3)迭代的终止：

依次对根系中的每个分支按照2.2)进行一步生长完成一次迭代，并重复，直至达到设置的迭代步数上限N_max或者达到材料的消耗上限V_max；

本发明的有益效果是：

由于本发明不依赖设计人员的长期设计经验，所以能够减少企业的设计人工成本；由于本发明在流道网络的结构布局设计中的计算以流道网络的材料消耗最小化为目标，和在分叉计算中引入了Murray’s法则以及Poiseuille’s定律，所以能够生成有明确理论依据的结果；由于本发明是通过模拟植物根系在土壤中受营养物质浓度支配的生长来进行散热流道网络的布局优化设计，所以从设计出原理上就更加接近一种流道网络的本质，使得设计结果更加合理；与目前主流的冷板散热流道网络的布局设计方法相比，使用本发明进行设计时，不再需要重复设计、仿真、改进的工作，明显提高了工作效率与设计质量，从而能够帮助企业更好地应对迅速变化得市场，实现更好的生产效益。

附图说明

图1为实施例的设计域及其转化示意图，其中图1(a)为散热问题的设计域及边界条件；图1(b)为散热问题的转化及直角坐标系的建立。

图2为实施例根系对附近营养物质浓度的影响范围示意图。

图3为实施例模拟根系生长过程示意图。

图4为实施例模拟生长完成后得到的散热流道网络的布局图。

具体实施方式

本发明提出的设计方法可对各类生热结构进行散热流道网络的布局优化设计，下面结合附图与实施例对本发明作详细描述。

一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法，包括以下步骤：

1)冷板散热流道网络自适应生长的初始化：

1.1)设计域的构建与初始化：参照图1，根据实际相控阵雷达T/R组件的热量生成情况，提取冷板散热问题的设计域与热载荷边界条件；然后将冷板散热流道网络在设计域中布局设计的问题转化为植物根系在设计域内依据营养物质浓度生长的问题，冷板散热的设计域对应土壤中根系的生长区域，记作Ω，热载荷边界条件中的不同热流密度对应设计域中不同的营养物质浓度，并在设计域建立直角坐标系；

1.2)生长参数的初始化：首先依据设计域的初始化条件为设计域内的有限个节点设置初始营养物质浓度，且营养物质的离散化的表达式记为Q(x，y)；然后指定散热流体通道模拟生长的初始生长点，且设初始生长点的坐标为(20，0)；最后对散热流体通道模拟生长的迭代终止条件等相关参数进行设置，设置散热通道的材料消耗上限为V_max＝0.17V_Ω，设置迭代生长的步数上限为N_max＝40；

2)冷板散热网络的自适应迭代生长：

2.1)生成初始根

初始根生长的相关参数由人为设定，包括生长长度dL＝1，生长半径dR＝1以及生长的方向向量(0,1)；初始生长点经过一步生长各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削减附近的营养物质浓度；

参照图2，每段根附近的营养物质浓度按式(1)削减：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i个节点当前营养物质浓度；Q_i0(x，y)代表第i个节点在当次削减前的营养物质浓度；μ是一个预设的常数，代表营养物质浓度削减的梯度；D_i是第i个节点与当前根段的距离，D代表根段对土壤中营养物质浓度的影响范围；

在本实施例当中取μ＝0.5，D＝4，,则Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-0.5(4-D_i)；

2.2)根系的迭代生长：

参照图3，初始根经过迭代生长最终形成根系的一个分支，一步生长迭代中在一次生长前就已存在的根称作母根；根系的每一分支按如下的方法进行迭代生长：

2.2.1)在以包含母根的20X20的生长区域Ω₁内，寻取营养物质浓度最高的节点Q_h，若存在多个浓度最高的点，则随机取其中的一个；若所有局部生长区域中的营养物质浓度均为0，则该分支停止生长；

2.2.2)分别连接步骤2.2.1)中所述的营养物质浓度最高点与母根每一根段的中点，各自形成一个预置的分叉；连接过程中如果发现连接线与其他母根根段相交，则放弃该分叉；若连接过程中所有连接线均与其他母根根段相交，则该分支停止生长；

2.2.3)为确定分支在当次迭代生长中最终的生长布局，需要对步骤2.2.2)所形成的预置分叉依次进行分析，并且选取其中能够使得根系材料消耗总体积最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的预置分叉，并且在根段对应的局部5X5的生长区域Ω₂内移动分叉点；随着分叉点的移动不断按照式(3)、(7)、(8)更新母支与分支的半径与长度，并且如果分叉发生在当前分支的中段，则更新应该从当前分叉开始直到该分支的末端；

根系分支的每一步生长的优化目标为使得根系材料消耗的总体积最小，即根系生长的优化目标函数为：

植物根系作为一种自然分叉结构，在本质上类似于流道网络系统；依据流体理论对植物根系进行的计算机模拟中，通常需要遵循的法则有：

式中，r₀为母支半径，r₁、r₂分别为两个子支的半径；式(3)即著名的Murray’s法则，满足Murray’s法则的分叉系统的能量损失最小；

营养物质在根系中运输时流动控制方程假设为Poiseuille’s定律，使得流动控制方程大大简化，如式(4)：

式中，Q为流体通道的体积流率，r为流体通道的当量半径，ν为流体的动力粘度系数，ΔP为通道两端得压力差，L为通道的轴向长度；

在式(4)下，流体通道的流阻的表达式如式(5)：

式中，R为流体通道的流阻；

假设每次分叉中两分支的流量相等，即：

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推导每个分叉中半径与长度关系式，即：

然后按照式(9)计算分叉点在每个位置时的根系总体积，并且选择使得根系材料消耗总体积最小的分叉点最为该预置分叉的最优选择；

2.2.4)依据步骤2.2.2)与步骤2.2.3)，对所形成的所有预置分叉的根系总体积进行比较，按照式(2)选择使得根系总体积最小的分叉作为当次迭代中根系该分支的最终生长方案；

2.2.5)按照式(1)削减新生成根段附近的营养物质浓度；该分支在当次迭代中的迭代生长完成，并且形成的根将会作为下一次生长迭代时该分支的母根；

2.3)迭代的终止：

依次对根系中的每个分支按照2.2)进行一步生长完成一次迭代，并重复，直至材料用量达到设定的材料的消耗体积上限V_max，生长迭代停止；最后生成的布局构形如图4所示，且最终的材料消耗量为17.02％V_Ω。

Claims (1)

1.一种相控阵雷达T/R组件散热流道网络的自适应生长设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)冷板散热流道网络自适应生长的初始化：

1.1)设计域的构建与初始化：根据实际相控阵雷达T/R组件的热量生成情况，提取冷板散热问题的设计域与热载荷边界条件；然后将冷板散热流道网络在设计域中的布局设计问题转化为植物根系在设计域内依据营养物质浓度生长的问题；冷板散热流道网络的设计域对应土壤中根系的生长区域，记作Ω，热载荷边界条件中的不同热流密度对应设计域中不同的营养物质浓度，并在设计域建立直角坐标系；

1.2)生长参数的初始化：首先依据设计域的初始化条件为设计域内的有限个节点设置初始营养物质浓度，且营养物质的离散化的表达式记为Q(x，y)；然后指定散热流体通道模拟生长的初始生长点，初始生长点可以有一个或多个，且设初始生长点的坐标为(X，Y)；最后对散热流体通道模拟生长的迭代终止条件相关参数进行设置，设置散热通道的材料消耗上限为V_max，设置迭代生长的步数上限为N_max；

2)冷板散热网络的自适应迭代生长：

2.1)生成初始根

初始根生长的相关参数由人为设定，包括生长长度dL，生长半径dR和生长的方向向量(e_x,e_y)；初始生长点经过一步生长各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削减附近的营养物质浓度；

每段根附近的营养物质浓度按式(1)削减：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i个节点当前营养物质浓度；Q_i0(x，y)代表第i个节点在当次削减前的营养物质浓度；μ是一个预设的常数，代表营养物质浓度削减的梯度；D_i是第i个节点与当前根段的距离，D代表根段对土壤中营养物质浓度的影响范围；

2.2)根系的迭代生长

每段初始根经过迭代生长最终形成根系的一个分支，一步生长迭代中要对根系的每个分支依次进行一步生长；每个分支在一次生长前就已存在的根称作母根；根系的每一分支按如下的方法进行迭代生长：

2.2.1)在以包含母根的一定生长区域Ω₁内，寻取营养物质浓度最高的节点Q_h，若存在多个浓度最高的点，则随机取其中的一个；若所有局部生长区域中的营养物质浓度均为0，则该分支停止生长；

2.2.2)分别连接步骤2.2.1)中所述的营养物质浓度最高的节点Q_h与母根每一根段的中点，各自形成一个预置的分叉；连接过程中如果发现连接线与其他母根根段相交，则放弃该分叉；若连接过程中所有连接线均与其他母根根段相交，则该分支停止生长；

2.2.3)为确定分支在当次迭代生长中最终的生长布局，需要对步骤2.2.2)所形成的预置分叉依次进行分析，并且选取其中能够使得根系材料消耗总体积最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的预置分叉，并且在根段对应的局部生长区域Ω₂内移动分叉点；随着分叉点的移动不断按照式(3)、(7)、(8)更新母支与分支的半径与长度，并且如果分叉发生在当前分支的中段，则更新应该从当前分叉开始直到该分支的末端；

根系分支的每一步生长的优化目标为使得根系材料消耗的总体积最小，即根系生长的优化目标函数为：

植物根系作为一种自然分叉结构，在本质上类似于流道网络系统；依据流体理论对植物根系进行的计算机模拟中，需要遵循的法则有：

式中，r₀为母支半径，r₁、r₂分别为两个子支的半径；式(3)即著名的Murray’s法则，满足Murray’s法则的分叉系统的能量损失最小；

营养物质在根系中运输时流动控制方程假设为Poiseuille’s定律，使得流动控制方程大大简化，如式(4)：

式中，Q为流体通道的体积流率，r'为流体通道的当量半径，ν为流体的动力粘度系数，ΔP为通道两端得压力差，L为通道的轴向长度；

在式(4)下，流体通道的流阻的表达式如式(5)：

式中，R为流体通道的流阻；

假设每次分叉中两分支的流量相等，即：

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推导每个分叉中半径与长度关系式，即：

然后按照式(9)计算分叉点在每个位置时的根系总体积，并且选择使得根系材料消耗总体积最小的分叉点最为该预置分叉的最优选择；

2.2.4)依据步骤2.2.2)与步骤2.2.3)，对所形成的所有预置分叉的根系总体积进行比较，按照式(2)选择使得根系总体积最小的分叉作为当次迭代中根系该分支的最终生长方案；

2.2.5)按照式(1)削减新生成根段附近的营养物质浓度；该分支在当次迭代中的迭代生长完成，并且形成的根将会作为下一次生长迭代时该分支的母根；

2.3)迭代的终止：

依次对根系中的每个分支按照2.2)进行一步生长完成一次迭代，并重复，直至达到设置的迭代步数上限N_max或者达到材料的消耗上限V_max。

Images