CN115017639B - 一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子设备散热领域，尤其涉及一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法。根据冷板尺寸、流道面积占比、热边界参数和流体边界条件，并以最小化流体功率耗散和最大化换热量的加权函数为优化目标，对二维拓扑优化模型进行构建和迭代计算；利用拓扑优化的结果，搭建冷板的三维几何模型，并在散热系统模型中进行仿真验证；通过对产热源的最高温度和最大温差，以及冷板压降的分析，判断是否满足设计要求。此法设计的冷板可以有效解决不均匀温度场的散热问题，为电子设备的散热方案的设计提供了一种新思路。

Description

一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法
技术领域
本发明涉及电子设备散热领域，尤其涉及一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法。
背景技术
随着人们对电子设备的性能要求不断增加，高功率的电子元器件逐渐向高集成化和小型化的方向发展，从而高产热带来的温升过高及热不均匀分布等散热问题也愈加凸显。为了保障电子元器件的安全、可靠的运行，需要采取一定的散热措施。目前，通用散热方法包括空冷散热和液冷散热。对于液冷散热，常见的是基于冷板的间接液冷散热，通过冷却液的强制对流换热使得由电子元器件上传到冷板上的热量被及时带走。冷板的典型流道结构包括直流道、蛇形流道、分叉型流道以及树形流道等，这些流道结构简单，加工方便，因而受到广泛应用。然而，采用这些流道结构的冷板往往因为流动阻力较大，在相同的泵功率输入下所获的散热效果极差。
此外，电子设备在长时间工作时由于局部区域的不均匀产热累积，从而导致不均匀的温度场。对于传统流道设计的冷板来说，难以实现对特定热分布区域进行有效的流道结构布置，因此冷却性能难以提高。
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出一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，按此方法所设计的冷板，仿真结果表明散热效果明显增强，冷板压降得以降低，可以有效解决不均匀温度场的散热问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，主要包括以下步骤：
(1)由已知的产热源尺寸来确定冷板尺寸，并设计流道的面积占比；
(2)根据产热源的实际热分布情况，确定二维拓扑模型的热边界参数；
(3)输入已知设计参数，并设置流体的边界条件和冷板的优化目标，建立二维拓扑优化模型，并进行迭代计算，直至满足终止条件时停止；
(4)利用拓扑优化得到的冷板流道结构，设计冷板的三维几何模型；
(5)结合步骤(4)中冷板的三维几何模型，进一步构建产热源的三维几何模型，最终完成散热系统几何模型的搭建；
(6)确定散热系统几何模型中所有结构的热物性参数及冷却液的边界条件；
(7)在步骤(5)的散热系统几何模型中，输入步骤(6)中所有结构的热物性参数和冷却液的边界参数，设计并输入产热源三维几何模型的热边界参数，并仿真求解产热源的温度场和冷板的压力场；
(8)根据产热源的温度场，获得产热源的最高温度值和最大温差值，根据冷板的压力场，获得压降值，并判断上述参数值是否满足设计要求，若满足，则采用此设计方案，否则修改拓扑模型的设计参数，重复步骤(3)到(8)，直至满足要求。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述步骤(1)中，已知产热源的尺寸为厚δ1、宽W1和高H1，设计冷板的宽W2和高H2与产热源尺寸相似，为产热源的宽W1和高H1的0.95-1.2；冷板的厚δ2和流道的面积占比Af可根据具体需求设定，冷板的厚δ2在3mm～10mm范围，流道的面积占比Af可选范围在0～1之间。
进一步，所述步骤(2)中，二维拓扑模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q1；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数定义为：
其中，T为无量纲温度，H为生热系数，热分布系数可以是常数或变量，与产热源的热分布形式相关。
进一步，所述步骤(3)中二维拓扑优化模型的建模和迭代计算，包括以下步骤：
(3a)输入已知设计参数；所述已知设计参数包括步骤(1)和步骤(2)中的所有设计参数；
(3b)设置流体的边界条件和冷板的优化目标；所述流体的边界条件包括流体的雷诺数Re和入口无量纲温度T1和出口的压力P1，所述冷板的优化目标J是指以最小化流体功率耗散J1和最大化换热量J2的加权函数，公式如下：
J＝w1J1-w2J2；
其中，为梯度算子；T为无量纲温度；H为生热系数；w1和w2为权重因子；Re为雷诺数；u为流体的流速；α为反渗透率；Ω为设计域；γ为设计变量；/>为热分布系数，与产热源的热分布形式相关。
(3c)根据步骤(3a)和步骤(3b)，在COMSOL软件中建立拓扑优化模型，并进行网格剖分；
(3d)选取SNOPT的优化算法，对步骤(3c)的拓扑优化模型进行迭代计算，同时不断对迭代结果进行滤波处理，迭代的终止条件为：最大迭代步数为250，收敛精度为1×10-5。
进一步，所述步骤(4)中，利用拓扑优化得到的冷板流道结构，设计冷板三维几何模型，包括以下步骤：
(4a)导出拓扑优化流道的二维结构；
(4b)利用步骤(4a)中流道结构图，在COMSOL软件中进行冷板的三维几何模型构造。
进一步，所述步骤(5)中，在步骤(4)中冷板三维几何模型的基础上，引入了产热源模型，构建散热系统的三维几何模型。
进一步，所述步骤(6)中，散热系统模型中全部结构的热物性参数包括导热系数ki、定压比热容cp,i、密度ρi和动力粘度μi；所述冷却液的边界条件包括冷却液的质量流量qf、温度Tf及出口压力pf。
进一步，所述步骤(7)中，散热系统模型的参数输入及仿真计算，包括以下步骤：
(7a)设计并输入产热源的三维几何模型的热边界参数；所述产热源三维几何模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q2；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数Q2与产热密度幅值E及热分布系数相关，定义为：/>
(7b)输入步骤(6)中获取的热物性参数和冷却液的边界条件；
(7c)对步骤(5)的散热系统的三维几何模型进行网格划分，并在COMSOL软件中进行仿真求解产热源的温度场和冷板的压力场。
进一步，所述步骤(8)中，最大温差ΔT和压降ΔP的计算公式如下：
ΔT＝Tmax-Tmin，ΔP＝Pin-Pout；
其中，Tmax和Tmin分别为产热源的最高温度和最低温度，Pin和Pout分别为冷却液的入口压力和出口压力。
所述步骤(8)中，所述参数值的判断条件如下：
Tmax≤[Tmax,b]，ΔT≤[ΔTb]，ΔP≤[ΔPb]
其中，Tmax,b、ΔTb和ΔPb分别为设计要求的最大允许值。
进一步，所述步骤(8)中，所述拓扑模型的设计参数包括流道面积占比Af、流体雷诺数Re和权重因子w1和w2，改变任意一个设计参数均会使得步骤(4)中冷板的流道结构发生改变。
本发明由于采用以上技术方案，获得以下有益效果：
1.针对冷板流道的设计提出了一种拓扑优化设计方法，以流体的功率耗散最小化和换热量最大化的加权函数为优化目标，并通过迭代计算获得冷板流道的拓扑结构，根据拓扑结果设计三维散热系统模型，并进行仿真验证；所设计的拓扑冷板与传统平行通道冷板相比，散热效果明显增强，冷板压降得以有效降低。
2.本发明可针对热分布情况设计热分布系数，从而自动地调整流道布置结构，以实现最大限度对电子设备进行散热，此法设计的冷板可以有效解决不均匀温度场的散热问题，为电子设备的散热方案的设计提供了一种新思路。
附图说明
图1为本发明针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法的流程图；
图2a为二维拓扑优化模型的示意图；
图2b为二维拓扑优化模型的拓扑结果；
图3a为三维冷板模型中心的x-y平面图；
图3b为三维冷板模型的透视图；
图4a为散热系统模型示意图；
图4b为散热系统模型爆炸图；
图5为本发明的方法下锂离子电池的温度分布图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本申请中的实施例，本领域设计者在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本申请保护的范围。
参照附图1，本发明为一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，步骤如下：
步骤1，确定冷板的尺寸和流道体积占比
(1a)参考产热源的尺寸比例，设计冷板的尺寸；本实施例中产热源选择为锂离子电池，其尺寸为厚δ1＝7.6mm、宽W1＝150mm和高H1＝200mm，设计冷板的宽W2＝154mm、高H2＝204mm和厚δ2为3mm；
(1b)流道的面积占比Af决定了流道分布的密集度，取值范围在0至1内，数值越大表示得到的流道面积越大，，本实施例中选择Af为0.5。。
步骤2，确定二维拓扑模型的热边界参数
参考图2a，根据锂离子电池的实际热分布情况，确定二维拓扑模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q1；其中所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数定义为：其中T为无量纲温度，H为生热系数，/>为热分布系数。本实施例中，生热系数选择为H＝100。
热分布系数与产热源的热分布形式相关，可以是常数或变量。在本实施例中，认为锂离子电池自上而下呈现温度逐渐降低的热分布趋势，则热分布系数为：/>其中y值与图2a中y轴的值对应，H2为冷板的高。
步骤3，建立二维拓扑模型，并迭代求解
建立二维拓扑模型，求解获得如图2b所示的拓扑结构，包括以下步骤：
(3a)输入已知设计参数；所述已知设计参数包括步骤(1)和步骤(2)中的所有设计参数；
(3b)设置冷板的流体的边界条件和优化目标；所述流体的边界条件包括流体的雷诺数Re和入口无量纲温度T1和出口的压力P1。本实施例中，流体的雷诺数Re取值为200，入口无量纲温度T1取值为0，出口的压力P1取值为0Pa。
所述冷板的优化目标是指以最小化流体功率耗散J1和最大化换热量J2的加权函数，由此优化目标转化为最小化J值，本实施例中，优化目标公式如下：
J＝w1J1-w2J2
其中，为梯度算子；T为无量纲温度；H为生热系数；w1和w2为权重因子；Re为雷诺数；u为流体的流速；α为反渗透率；Ω为设计域；γ为设计变量；/>为热分布系数，与产热源的热分布形式相关。
(3c)根据步骤(3a)和步骤(3b)，在COMSOL软件中建立拓扑优化数学模型，并对几何模型进行网格剖分；所述拓扑优化数学模型如下：
Findγ＝(γ1,γ2,......γi),γi∈[0,1]
Minimize J＝w1J1-w2J2
∫ΩγdΩ≤Af·AΩ
w1+w2＝1
其中，p是压力，是梯度算子，Pr是普朗特数，pin是进口压力，AΩ是冷板设计域总面积，Γin为进口边界。本实施例中，权重因子w1和w2均取为0.5。
(3d)选取SNOPT的优化算法，对步骤(3c)的拓扑优化模型进行迭代计算，迭代的终止条件为：最大迭代步数为250，收敛精度为1×10-5，迭代过程中对结果进行滤波处理，本实施例中采用的滤波公式如下：
其中，r为过滤半径，为过滤后的设计变量，/>为投影后的设计变量，γβ为投影点，β为斜率。本实施例中，γβ取值为0.5，β取值为8。
步骤4，根据拓扑结果构建三维冷板模型
根据拓扑优化得到冷板的二维流道结构，设计如图3a和图3b所示的冷板的三维几何模型，包括以下步骤：
(4a)导出拓扑优化流道的二维结构；
(4b)利用步骤(4a)中流道结构图，在COMSOL软件中进行冷板的三维模型构造。
步骤5，搭建散热系统几何模型
根据步骤(4)中三维冷板模型的基础上，引入了锂离子电池模型，然后构建散热系统的三维模型，如图4a和图4b所示。
步骤6，确定所有结构的热物性参数和边界条件
散热系统几何模型中，所有的结构包括冷板、锂离子电池和冷却液，所述热物性参数包括导热系数ki、定压比热容cp,i、密度ρi或动力粘度μi。本实施例中，热物性参数见表1。
冷却液的边界条件包括冷却液质量流量qf、温度Tf和出口压力pf。本实施例中，采用的冷却液为体积分数是50％的乙醇和水的混合物，其质量流量qf为2g/s，入口温度Tf为25℃，出口压力pf为0Pa。
步骤7，在散热系统模型中输入参数，并进行仿真
对散热系统模型进行参数设置及仿真计算，包括以下步骤：
(7a)设计并输入锂离子电池三维几何模型的热边界参数；所述锂离子电池三维几何模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q2；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数Q2与产热密度幅值E及热分布系数相关，定义为/>本实施例中，产热密度幅值E为150000W m-3，热分布系数/>与二维拓扑模型中的热分布系数相同；
(7b)输入步骤(6)中获取的热物性参数和边界条件；
(7c)对步骤(5)的散热系统的三维几何模型进行网格划分，并在COMSOL软件中进行仿真求解，得到锂离子电池的温度分布如图5所示，并获取冷板的压力场。
步骤8，判断Tmax、ΔT和ΔP是否满足要求
(8a)根据温度场和压力场，最大温差ΔT和压降ΔP的计算公式如下：
ΔT＝Tmax-Tmin，ΔP＝Pin-Pout
其中，Tmax和Tmin分别为锂离子电池的最高和最低温度，Pin和Pout分别为冷却液的进、出口压力。
(8b)根据(8a)的数据，判断是否达到设计要求：
Tmax≤[Tmax,b]，ΔT≤[ΔTb]，ΔP≤[ΔPb]
其中，Tmax,b、ΔTb和ΔPb分别为设计要求的最大允许值。
若满足上述设计要求，则停止；否则，修改流道面积占比Af、流体雷诺数Re和权重因子w1和w2中的任意一个、两个、三个或全部，重复步骤(3)到(8)，直至满足设计要求。
本发明的优势可通过以下仿真案例进一步说明：
1.仿真参数
仿真参数包括二维拓扑优化模型参数和三维散热系统模型参数。
所述二维拓扑优化模型参数包括：二维拓扑优化冷板的宽W2为154mm，高H2为204mm；流道面积占比为Af＝0.5，生热系数为H＝100，入口雷诺数为Re＝200，权重因子为w1＝w2＝0.5，入口无量纲温度为T1＝0，出口压力为P1＝0Pa。
所述三维散热系统模型参数包括：锂离子电池模型尺寸为δ1×W1×H1＝7.6×150×200mm，三维冷板模型的设计尺寸：δ2×W2×H2＝3×154×204mm；冷却液的质量流量qf为2g/s，入口温度Tf为25℃，出口压力pf为0Pa；锂离子电池的产热密度幅值E设置为150000Wm-3，模型初始温度取25℃。散热系统模型的热物性参数，见表1。
表1三维模型中所有成分的热物性参数
2.仿真结果
对本发明方法得到的散热系统模型进行仿真分析，并与相同流道面积占比设计下的传统平行通道冷板进行对比，性能指标的对比结果如表2所示。
表2本发明设计的冷板与传统平行通道冷板的性能对比
结合表2及图5中的仿真结果，可见与相同散热面积下传统平行通道冷板相比，本发明方法得到拓扑流道冷板可以使得电池的最高温度降低12.67K，最大温差下降12.61K，同时冷板的压降也降低了55.06Pa。结果表明，本发明方法针对不均匀热分布的情况设计得到的冷板，其散热效果明显提升，同时冷板压降也得到有效降低。
以上实施例仅为说明本发明的方法，不能限定本发明的保护范围，在本发明公开技术方案的基础上做的任何改动，均落入本发明保护的范围之内，本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)由已知的产热源尺寸来确定冷板尺寸，并设计流道的面积占比；
(2)根据产热源的实际热分布情况，确定二维拓扑模型的热边界参数；
(3)输入已知设计参数，并设置流体的边界条件和冷板的优化目标，建立二维拓扑优化模型，并进行迭代计算，直至满足终止条件时停止；
(4)利用拓扑优化得到的冷板流道结构，设计冷板的三维几何模型；
(5)结合步骤(4)中冷板的三维几何模型，进一步构建产热源的三维几何模型，最终完成散热系统几何模型的搭建；
(6)确定散热系统几何模型中所有结构的热物性参数及冷却液的边界条件；
(7)在步骤(5)的散热系统几何模型中，输入步骤(6)中所有结构的热物性参数和冷却液的边界参数，设计并输入产热源三维几何模型的热边界参数，并仿真求解产热源的温度场和冷板的压力场；
(8)根据产热源的温度场，获得产热源的最高温度值和最大温差值，根据冷板的压力场，获得压降值，并判断产热源的最高温度值和最大温差值以及压降值是否满足设计要求，若满足，则采用此设计方案，否则修改拓扑模型的设计参数，重复步骤(3)到(8)，直至满足要求；
步骤(2)中，二维拓扑模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q1；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数定义为：其中，T为无量纲温度，H为生热系数，热分布系数/>与产热源的热分布形式相关；热分布系数为：/>其中y表示为冷板表面的任意点与冷板底部的距离，H2为冷板的高。
2.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(1)中，已知产热源的尺寸为厚δ1、宽W1和高H1，设计冷板的宽W2和高H2与产热源尺寸相似，为产热源的宽W1和高H1的0.95-1.2；
冷板的厚δ2和流道的面积占比Af可根据具体需求设定，冷板的厚δ2在3mm～10mm范围，流道的面积占比Af范围在0～1之间。
3.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(3)中，二维拓扑优化模型的建立和迭代计算，包括以下步骤：
(3a)输入已知设计参数；所述已知设计参数包括步骤(1)和步骤(2)中的所有设计参数；
(3b)设置冷板的流体的边界条件和优化目标；所述流体的边界条件包括流体的雷诺数Re和入口无量纲温度T1和出口的压力P1，所述冷板的优化目标J是指以最小化流体功率耗散J1和最大化换热量J2的加权函数，公式如下：
J＝w1J1-w2J2；
其中，为梯度算子；T为无量纲温度；H为生热系数；w1和w2为权重因子；Re为雷诺数；u为流体的流速；α为反渗透率；Ω为设计域；γ为设计变量；为热分布系数，与产热源的热分布形式相关；
(3c)根据步骤(3a)和步骤(3b)，在COMSOL软件中建立拓扑优化数学模型，并对几何模型进行网格剖分；
(3d)选取SNOPT的优化算法，对步骤(3c)的拓扑优化模型进行迭代计算，迭代的终止条件为：最大迭代步数为250，收敛精度为1×10-5，迭代过程中对结果进行滤波处理。
4.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(4)中，利用拓扑优化得到冷板的二维流道结构，设计冷板的三维几何模型，包括以下步骤：
(4a)导出拓扑优化流道的二维结构；
(4b)利用步骤(4a)中流道结构图，在COMSOL软件中进行冷板的三维几何模型构造。
5.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(6)中，散热系统模型中全部结构的热物性参数包括导热系数ki、定压比热容cp,i、密度ρi和动力粘度μi；所述冷却液的边界条件包括冷却液的质量流量qf、温度Tf及出口压力pf。
6.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(7)中，散热系统模型的参数输入及仿真计算，包括以下步骤：
(7a)设计并输入产热源的三维几何模型的热边界参数；所述产热源三维几何模型的热边界参数包括散热边界参数和产热密度参数Q2；所述散热边界参数为绝热边界条件，所述产热密度参数Q2与产热密度幅值E及热分布系数相关，定义为：
(7b)输入步骤(6)中获取的热物性参数和冷却液的边界条件；
(7c)对步骤(5)的散热系统的三维几何模型进行网格划分，并在COMSOL软件中进行仿真求解产热源的温度场和冷板的压力场。
7.根据权利要求1所述的一种针对不均匀热分布的冷板流道拓扑设计方法，其特征在于，步骤(8)中，最大温差ΔT和压降ΔP的计算公式如下：
ΔT＝Tmax-Tmin，ΔP＝Pin-Pout；
其中，Tmax和Tmin分别为产热源的最高和最低温度，Pin和Pout分别为冷却液的进、出口压力；
所述参数值的判断条件如下：
Tmax≤[Tmax,b]，ΔT≤[ΔTb]，ΔP≤[ΔPb]；
其中，Tmax,b、ΔTb和ΔPb分别为设计要求的最大允许值；
所述拓扑模型的设计参数包括流道面积占比Af、流体雷诺数Re和权重因子w1和w2。
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