CN107122527B - 一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法 - Google Patents

一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法，包括冷板入口独立变量的确定；冷板流道二维设计域的抽取；以冷板表面温度均方根误差和流体流动耗散功为加权目标，以流体体积分数为约束的冷板流道拓扑优化模型的建立；二维冷板流道拓扑优化模型的求解；三维冷板及其流道模型的建立；冷板表面温度均方根误差的计算。本发明能够合理考虑管道占冷板体积比重并实现冷板高效散热、改善温度分布的均匀性，对指导电子设备的冷板设计有重要意义。

Description

一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法
技术领域
本发明属于电子设备领域，具体涉及基于拓扑优化的电子设备散热冷板流道设计方法，可用于指导高功率电子设备散热的冷板设计。
背景技术
随着电子和微电子技术的飞速发展，电子设备的尺寸越来越小，系统组装密度越来越高，从而导致了电子设备的热流密度越来越大。高热流密度将对电子设备产生一系列的影响，例如在固态雷达发射机中，功率晶体管的结温每增加10℃，其可靠性就会下降60％；美军整体计划分析报告中指出，电子设备的失效55％是由温度引起的，另外“10℃法则”也指出，半导体器件的温度每升高10℃，其可靠性就会降低50％。因此，对高热流密度电子设备进行高效的散热，是保证电子设备正常工作的基础，也是提高其可靠性的重要途径。
液冷冷板由于其结构简单、冷却效率高等特点，在高热流密度电子设备的冷却中得到了广泛的应用。常见的冷板有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经验来进行设计。然而这样的设计方式无法全面考虑流道占冷板总体积的合理性，对于热源呈现复杂布局的情况也无法给出高效、合理的流道布局。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于拓扑优化技术的冷板流道设计方法，该方法能够合理考虑管道占冷板体积比重并实现冷板高效散热、改善温度分布的均匀性，对指导电子设备的冷板设计有重要意义。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法，包括如下步骤：
(1)根据电子设备的装配图，确定其中功率器件的表面热流密度Q和冷板的外框尺寸参数；
(2)根据电子设备所采用的冷却泵，确定冷板入口的独立参数和冷却液热属性参数；
(3)根据冷板所要达到的目标以及功率器件参数、冷板外框尺寸参数以及冷板入口的独立参数，建立冷板拓扑优化模型，并确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；
(4)根据拓扑优化模型，进行分析求解，获得冷板流道的拓扑形状；
(5)根据拓扑优化所得的冷板流道拓扑形式，确定流道几何参数，建立冷板的三维几何模型；
(6)根据冷板的三维几何模型，建立冷板的有限元模型，并施加冷板的边界条件；
(7)根据冷板的有限元模型以及冷板入口的独立参数，采用CFX软件分析计算冷板表面的温度分布；
(8)根据冷板表面的温度分布，计算温度分布均方根值RMST，判断是否满足所需要求，若满足，则得到冷板设计方案；否则修改流道几何参数，重复(4)到(8)，直至满足要求。
进一步，所述冷板的外框尺寸参数包括宽W、长L以及高H。
进一步，所述步骤(2)中，冷板入口的独立参数包括入口速度v和入口温度T0，冷却液热属性参数包括热传导率kf、定压比热容Cp和密度ρ。
进一步，建立冷板拓扑优化模型，包括：
(3a)根据冷板设计目标，建立目标函数，此处以流体流动最小耗散功和表面温度均方根值最小为目标函数；
(3b)根据步骤(3a)建立的目标函数，建立拓扑优化数学模型；
(3c)根据功率器件的尺寸、位置和发热功率，确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度，其中发热面积取功率器件与冷板的接触面积，一般为功率器件的底面积，功率密度为器件功率与接触面积的比值，其计算公式如下：
其中，Q为功率密度，Ppower为器件功率，Acontact为功率器件与冷板的接触面积。
(3d)根据热源的特性参数，冷板的尺寸参数以及冷却系统的特性参数，建立优化域的几何模型并设置相应的边界条件。
进一步，根据拓扑优化模型，获得冷板流道的拓扑形状，包括：
(4a)根据步骤(3)所建立的拓扑优化模型，进行网格剖分；
(4b)选取优化算法，这里选取移动渐进算法MMA，设置最大迭代步数为500，设置收敛精度为1E-4。
进一步，网格剖分可以用四边形网格，也可以采用三角形网格，局部曲率大的地方还需要进行网格细化。
进一步，所述步骤(5)中，确定流道几何参数，建立冷板的几何模型，包括：
(5a)根据步骤(4)所得的结果，对结果进行滤波处理，并输出，滤波处理；
(5b)根据步骤(5a)所得的结果，在CAD软件中通过B样条进行插值拟合，确定流道高h，获得光滑的切面流道图，然后根据冷板的尺寸参数进行三维造型，建立冷板三维几何模型。
进一步，所述步骤(6)中，建立冷板的有限元模型，包括：
(6a)对将三维冷板几何模型导入到CAE软件中，根据功率器件的参数设置冷板分析的边界条件；
(6b)根据冷板几何模型尺寸，设定网格尺寸大小，对其进行网格剖分，获得冷板有限元模型；
(6c)根据冷却设备信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压流体流动边界条件；
(6d)根据功率器件的表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件。
所述步骤(6c)中，根据冷却设备信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压流体流动边界条件为入口流速v0、入口温度T0和出口静压p0。
所述步骤(6d)中，根据功率器件的表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件。
进一步，所述步骤(8)中，温度分布均方根值RMST通过下式计算：
其中，为平均温度，Ti为结点温度，N为结点总数。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1.在工程中，冷板流道的设计直接决定了冷板散热效果的好坏，本发明提出了一种基于拓扑优化技术的冷板设计方法，从实际冷板散热需求出发，以流体流动最小耗散功和最小表面温度均方根值为加权目标函数，构建拓扑优化数学模型，然后依照冷板尺寸大小设计优化区域，建立拓扑优化分析模型；通过优化算法获得最佳冷板流道拓扑形式，然后进行冷板三维模型分析验证。相对于普通S型流道冷板，通过拓扑优化技术得到冷板散热能力明显提高，且温度均匀性更好。
2.本发明与传统的冷板设计方法相比，适用于任意热源排布的冷板流道设计，尤其可以解决复杂发热器件排布的散热问题。对于不同热源排布的冷板，该方法能够根据热源的位置，自动调整流道的拓扑形式，使得冷板能够最大限度带走热源所产生的热量，具有很强的通用性和工程意义。
附图说明
图1是本发明基于拓扑优化的冷板流道设计方法的流程图；
图2是拓扑优化几何模型的示意图；
图3是拓扑优化所得冷板流道示意图；
图4是冷板几何模型示意图；
图5是冷板表面温度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。
参照图1，本发明为基于拓扑优化的冷板流道设计方法，具体步骤如下：
步骤1，确定功率器件参数和冷板尺寸参数
根据电子设备的装配图和说明图，确定功率器件的表面热流密度Q以及冷板的尺寸参数：长L，宽W以及高H。
步骤2，确定冷板入口独立变量
根据电子设备所采用的冷却泵等设备，确定冷板入口的独立参数：冷却液入口速度v、入口温度T0，冷却液热属性参数：热传导率kf、定压比热容Cp和密度ρ。
步骤3，建立冷板流道拓扑优化模型
建立冷板流道拓扑优化模型包括以下步骤：
(3a)根据冷板的设计目标，建立目标函数：冷板表面的温度均方根值RMST为冷板散热性能的评价标准之一，以此作为目标；另外考虑到流体流动要尽量减少压力损失，否则会造成对泵的要求过高，所以流体流动耗散功Φ也作为目标。然后通过加权函数来将两个目标集成为一个，如下所示：
F0＝w1A+w2B
式中，
其中，A表示温度均方根值，B表示流体耗散功，w1、w2分别表示目标函数中不同项所占比重，γ为设计变量，T为温度，为平均温度，V为固体体积，η为流体动力粘度，α(γ)为阻流系数，u为流体运动速度，V为固体体积，x为空间直角坐标，i,j分别为不同坐标角标；
(3b)考虑各个场的控制方程及其约束，建立拓扑优化数学模型如下所示：
findγ
min F0＝w1A+w2B
0≤γ≤1
其中，为哈密顿算子，ρ为流体密度，Cp为流体定压比热容，k(γ)为导热系数，Q为热源项，；
(3c)根据功率器件的尺寸、位置和发热功率，确定热源在设计域中的位置，发热面积以及表面热流密度。如图2所示，电子设备的热源全部覆盖冷板表面，我们认为冷板表面可以为均布热源；电子设备的功率为Ppower，与冷板的接触面积为Acontact，则表面热流密度为
(3d)根据热源的特性参数、冷板尺寸参数和冷却系统的特性参数，建立二维优化域的几何模型并设置边界条件。如图2所示，优化域的几何模型为长L、宽W的矩形域；左右两端设立入口和出口；由于对称性，只需分析一半的设计域，故此在中间设置对称边界条件；冷板的入口处施加入口流速、入口温度等边界条件，施加边界条件为入口流速v0，入口温度T0，出口静压p0；在除出入口以及对称边界外的其他边界处设置绝热边界条件，施加边界条件为热通量为零；在设计域中施加均布热源。
步骤4，分析求解拓扑优化模型并获得流道拓扑形状
(4a)根据所建立的拓扑优化分析模型，进行网格剖分。可以采用四边形网格，也可以采用三角形网格，对于局部曲率较大的地方在进行网格细化；
(4b)选取优化算法，可以选非线性序列二次规划算法SNOPT或是移动渐进算法MMA，这里选取移动渐进算法，设置最大目标计算次数为500次，收敛精度设定为1E-4。
步骤5，建立三维冷板几何模型
(5a)由拓扑优化所得到的结果，先对其进行滤波处理并输出。如图3所示，滤波按照以下方式进行：
其中，γ为设计变量；
(5b)由滤波后的结果，导入到CAD软件中进行三维造型设计：首先对轮廓进行B样条曲线插值拟合确定流道高h，获得光滑的切面流道图，然后根据冷板尺寸以及流道的高度，建立冷板三维几何模型。如图4所示。
步骤6，根据冷板几何模型建立三维冷板有限元分析模型
(6a)将构造好的三维冷板几何模型导入到CAE软件中，根据冷板几何信息，设定网格尺寸大小，采用四面体单元对冷板和流体进行网格剖分，获得冷板有限元模型；
(6b)根据冷却设备等信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压等流体流动边界条件，边界条件为入口流速v0，入口温度T0，出口静压p0；根据功率器件的参数：表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件，边界条件为表面热流密度Q；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件，边界条件为热通量为零；
(6c)根据冷却设备信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压流体流动边界条件；边界条件为入口流速v0、入口温度T0和出口静压p0；
(6d)根据功率器件的表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件，在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件。
步骤7，计算冷板表面温度分布
根据所建立的三维冷板有限元模型，采用CFX软件分析计算冷板表面温度分布。冷板表面温度见图5所示。
步骤8，计算冷板表面温度均匀性并判断是否满足要求
(8a)根据所求得的冷板温度场分布，提取冷板表面温度分布数据；
(8b)根据冷板表面温度分布数据，计算表面温度均方根值RMST，冷板表面温度均方根值RMST的计算公式如下所示：
其中，为平均温度，Ti为结点温度，N为结点总数；
(8c)根据计算所得冷板表面温度均方根值，判断冷板流道设计是否满足设计要求，如果满足要求，则设计结束；如果不满足要求，则重复步骤4至步骤8，直到完成满足设计要求的冷板流道设计。冷板流道设计是否满足要求的判断准则如下：
Tmax≤[Tup],RMST≤[RMST]。
本发明的优点可以通过以下的仿真算例得到进一步的说明：
1.仿真参数
冷板尺寸为100mm*100mm，热源为均布热源，热流密度为Q＝2*104W/m2，入口流速为v0＝0.01m/s，入口温度为T0＝293K，出口静压为0Pa。取冷板的中间层作二维拓扑流道优化设计，仿真设计域以及边界条件的施加如图2所示。
2.仿真内容与结果
利用本发明的方法，构建拓扑优化模型并对冷板进行流道拓扑优化设计，仿真结果如表1所示。
表1拓扑优化流道设计与传统流道设计散热性能对比
方案 最高温度 温度均方根值
拓扑优化 63.02℃ 1.790℃
传统 69.02℃ 2.000℃
从表1可见，采用本方法所得的流道拓扑形式较传统流道形式能够更好的散热，最高温度下降了6℃，温度均方根值下降了0.21℃，能够更有效地散热保证电子设备的正常工作。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据电子设备的装配图，确定其中功率器件的表面热流密度Q和冷板的外框尺寸参数；
(2)根据电子设备所采用的冷却泵，确定冷板入口的独立参数和冷却液热属性参数；
(3)根据冷板所要达到的目标以及功率器件参数、冷板外框尺寸参数以及冷板入口的独立参数，建立冷板拓扑优化模型，并确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度；
(4)根据拓扑优化模型，进行分析求解，获得冷板流道的拓扑形状；
(5)根据拓扑优化所得的冷板流道拓扑形式，确定流道几何参数，建立冷板的三维几何模型；
(6)根据冷板的三维几何模型，建立冷板的有限元模型，并施加冷板的边界条件；
(7)根据冷板的有限元模型以及冷板入口的独立参数，采用CFX软件分析计算冷板表面的温度分布；
(8)根据冷板表面的温度分布，计算温度分布均方根值RMST，判断是否满足所需要求，若满足，则得到冷板设计方案；否则修改流道几何参数，重复(4)到(8)，直至满足要求；
所述步骤(3)中，建立冷板拓扑优化模型，包括如下步骤：
(3a)根据冷板设计目标，建立目标函数，此处以流体流动最小耗散功和表面温度均方根值最小为目标函数，如下式所示：
F0＝w1A+w2B
式中，
其中，A表示温度均方根值，B表示流体耗散功，w1、w2分别表示目标函数中不同项所占比重，γ为设计变量，T为温度，为平均温度，V为固体体积，η为流体动力粘度，α(γ)为阻流系数，u为流体运动速度，x为空间直角坐标，i,j分别为不同坐标角标；
(3b)根据步骤(3a)建立的目标函数，建立拓扑优化数学模型：
find γ
min F0＝w1A+w2B
s.t.▽·u＝0
ρ(u·▽)u＝-▽p+▽·η(▽u+(▽u)T)-α(γ)u
ργCp(u·▽T)＝k(γ)▽2T+(1-γ)Q
0≤γ≤1
其中，▽为哈密顿算子，ρ为流体密度，Cp为流体定压比热容，k(γ)为导热系数，Q为热源项；
(3c)根据功率器件的尺寸、位置和发热功率，确定热源的几何中心位置、发热面积和功率密度，其中发热面积取功率器件与冷板的接触面积，为功率器件的底面积，功率密度为器件功率与接触面积的比值，其计算公式如下：
其中，Q为功率密度，Ppower为器件功率，Acontact为功率器件与冷板的接触面积；
(3d)根据热源的特性参数，冷板的尺寸参数以及冷却系统的特性参数，建立优化域的几何模型并设置边界条件。
2.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中，冷板的外框尺寸参数包括宽W、长L以及高H。
3.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，冷板入口的独立参数包括入口速度v和入口温度T0，冷却液热属性参数包括热传导率kf、流体定压比热容Cp和流体密度ρ。
4.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，根据拓扑优化模型，获得冷板流道的拓扑形状，包括如下步骤：
(4a)根据步骤(3)所建立的拓扑优化模型，进行网格剖分；
(4b)选取优化算法，这里选取移动渐进算法MMA，设置最大迭代步数为500，设置收敛精度为1E-4。
5.根据权利要求4所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，步骤(4a)中，网格剖分可以用四边形网格，也可以采用三角形网格。
6.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(5)中，确定流道几何参数，建立冷板的几何模型，包括如下步骤：
(5a)根据步骤(4)所得的结果，对结果进行滤波处理，并输出，滤波处理按照以下方式：
其中，γ为设计变量；
(5b)根据步骤(5a)所得的结果，在CAD软件中通过B样条进行插值拟合，确定流道高h，获得光滑的切面流道图，然后根据冷板的尺寸参数进行三维造型，建立冷板三维几何模型。
7.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(6)中，建立冷板的有限元模型，包括如下步骤：
(6a)对将三维冷板几何模型导入到CAE软件中，根据功率器件的参数设置冷板分析的边界条件；
(6b)根据冷板几何模型尺寸，设定网格尺寸大小，对其进行网格剖分，获得冷板有限元模型；
(6c)根据冷却设备信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压流体流动边界条件；
(6d)根据功率器件的表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件。
8.根据权利要求7所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(6c)中，
根据冷却设备信息，施加冷却液入口流速、入口温度以及出口静压流体流动边界条件为入口流速v0、入口温度T0和出口静压p0；
所述步骤(6d)中，根据功率器件的表面热流密度Q及其位置信息施加热源边界条件；在无对流换热和传导换热边界处施加绝热边界条件。
9.根据权利要求1所述的基于拓扑优化的冷板流道设计方法，其特征在于，所述步骤(8)中，温度分布均方根值RMST通过下式计算：
其中，为平均温度，Ti为结点温度，N为结点总数。
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