CN116361966A - 一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法 - Google Patents

一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，包括：对脉动热管中复杂的两相流传热原理进行抽象表达；建立脉动热管的物理模型；基于脉动热管的物理模型进行有限元离散，初始化单元格设计变量；对单元格的材料属性和结构热载荷进行有限元分析，求解温度场；建立热柔度响应和材料体积分数响应，以热柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立优化目标函数；基于拓扑优化计算求解目标函数；根据更新后的设计变量进行三维建模，得到脉动热管的设计方案。本发明在不添加额外部件的情况下，对流道合理的拓扑优化，使得工质充分的和热源接触，促使工质剧烈震荡，进而大幅提升脉动热管的换热能力。

Description

一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法
技术领域
本发明涉及微电子和半导体元器件的高效散热冷却技术领域，具体而言尤其涉及一种以拓扑优化为理论依据的脉动热管流道结构设计方法。
背景技术
脉动热管是一种新型、高效，可用于微小空间、高热流密度的传热元件。脉动热管由多个弯曲的毛细管组成，包含加热端、绝热段、冷凝端三部分。真空下充入工作流体，在表面张力和流动阻力的作用下形成气液塞间隔分布的状态。工质在加热端吸热能量，发生相变迅速膨胀，并在冷凝端释放能量，由于冷热端温差形成的饱和蒸汽压差，促使并维持工质在管内运动。除了相变传热外，工质在冷热端之间的震荡还会引起强制对流，这极大提高了脉动热管的传热性能。随着输入功率的增加，工质的运动更加剧烈，对流换热能力进一步提高，脉动热管的传热性能也显著提高。因此，脉动热管被认为是解决高热流密度下热传递的最有效手段之一。
在实际工程中，脉动热管的结构设计往往基于经验，设计出了多种新型脉动热管，例如：应用于太阳能集热器的花瓣形脉动热管、为促进循环流动而设计的带连通通道的脉动热管以及不受重力影响的叶脉状三维脉动热管等，但技术人员多以新颖的流道结构为指引，其得到的新结构不但缺乏理论支撑，而且不能够将脉动热管的传热性能有效的提升。
发明内容
根据上述提出的现有的脉动热管的结构设计无法有效提升传热性能的技术问题，而提供一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法。本发明在不添加额外部件的情况下，对流道合理的拓扑优化，使得工质充分的和热源接触，促使工质剧烈震荡，进而大幅提升脉动热管的换热能力。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，包括以下步骤：
S1、以导热系数数值做参照，对脉动热管中复杂的两相流传热原理进行抽象表达，所述的抽象表达包括将脉动热管分为流道区域和管壁区域，其中流道区域的导热系数大于管壁区域；
S2、在脉动热管中以冷凝端以下部分为设计域，在热源处以及冷凝端处建立边界条件，建立脉动热管的物理模型；
S3、基于所述脉动热管的物理模型进行有限元离散，初始化单元格设计变量，所述单元格的设计变量为单元格区域的材料密度；
S4、对单元格的材料属性和结构热载荷进行有限元分析，求解温度场；
S5、建立热柔度响应和材料体积分数响应，以热柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立优化目标函数；
S6、基于拓扑优化计算求解目标函数，并基于目标函数最优时求解的变量数值更新设计变量；
S7、根据更新后的设计变量进行三维建模，得到脉动热管的设计方案。
进一步地，基于所述脉动热管的物理模型进行有限元离散，初始化单元格设计变量，包括将单元格的设计变量设置为大小在0-1之间的相对密度数值，当相对密度为0时，表示单元格不被固体占据；而当相对密度为1时，表示单元格被固体占据。
进一步地，在脉动热管中以冷凝端以下部分为设计域，在热源处以及冷凝端处建立边界条件，建立脉动热管的物理模型，包括：
将流道区域设置为热源，将冷端的边界条件设置为低温段与绝热段间隔分布，其中低温段代表处于冷凝端的流道，绝热段代表管壁。
进一步地，在脉动热管中以冷凝端以下部分为设计域，在热源处以及冷凝端处建立边界条件，建立脉动热管的物理模型，还包括：
在物理模型基础上以稳态热传导为载荷进行热分析计算，以作为对物理模型正确性的验证。
进一步地，进行拓扑优化计算时满足固体各向同性材料惩罚模型，所述固体各向同性材料惩罚模型假设材料密度在单元格内为常数，材料属性由单元格密度的指数函数来模拟，所述材料属性根据以下计算获取：
k(γi)＝(k1-k2)(1-γi)p+k2
式中：k1为管壁区域的导热系数；k2为流道区域的导热系数；γi为第i个单元格的相对密度；p为惩罚因子。
进一步地，所述惩罚因子被设置为在3～5之间。
进一步地，根据更新后的设计变量进行三维建模，包括使用软件对拓扑优化结果进行轮廓提取，并对其进行再优化使其更符合脉动热管的工作特性。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明提供的基于拓扑优化的局部热源脉动热管设计方法，在理论指导下对流道进行设计，使脉动热管能够在具有更好的传热性能和更高的传热极限。
2.本发明提供的基于拓扑优化的局部热源脉动热管设计方法，将脉动热管分为导热能力强的流道区域和导热能力差的管壁区域，使其与拓扑优化理论巧妙地联系在一起，进而得到有效的流道设计。
3.本发明提供的基于拓扑优化的局部热源脉动热管设计方法，为脉动热管在工业中的运用提供了设计参考，特别是在复杂工况的加热条件下，可以使用新型流道来提高元件传热性能。
综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中存在的脉动热管流道设计中缺乏理论依据，导致传热性能无法有效提高的问题。
基于上述理由本发明可在传热等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法流程图。
图2为实施例1中脉动热管在单热源工况下热源位置示意图。
图3为实施例1中脉动热管在单热源工况下设计域示意图。
图4为实施例1中在单热源工况下拓扑优化计算得到的结果示意图。
图5为实施例1中对单热源工况下优化结果三维建模示意图。
图6为实施例2中脉动热管在单热源工况下热源位置示意图。
图7为实施例2中脉动热管在单热源工况下设计域示意图。
图8为实施例2中在单热源工况下拓扑优化计算得到的结果示意图。
图9为实施例2中对单热源工况下优化结果三维建模示意图。
图10为实施例3中脉动热管在单热源工况下热源位置示意图。
图11为实施例3中脉动热管在单热源工况下设计域示意图。
图12为实施例3中在单热源工况下拓扑优化计算得到的结果示意图。
图13为实施例3中对单热源工况下优化结果三维建模示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
拓扑学是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变的一些性质的学科，只需考虑物体间的位置关系，而无需考虑形状和结构。拓扑学已经在散热器等流固共轭传热领域广泛应用。基于上述背景，本申请公开了一种基于拓扑优化的局部热源脉动热管设计方法，解决现有技术中存在脉动热管流道设计缺乏理论支撑的问题。如图1所示，本发明将脉动热管工作分为高导热区域和低导热区域，以最小热柔度为目标函数，以高导热系数材料的体积用量为约束，同时考虑结构内热源引起的热载荷的拓扑相关性，建立拓扑优化模型，进而设计出散热能力最优的流道结构。具体包括以下步骤：
S1、以导热能力强弱做参照，对脉动热管中复杂的两相流传热原理进行抽象表达，所述的抽象表达包括将脉动热管分为流道区域和管壁区域，其中流道区域的导热系数大于管壁区域。
通常情况下，脉动热管的流道区域和管壁区域的导热性能差异巨大，导热系数值差异可以达到几个数量级，因此在实际应用中，抽象区分流道区域和管壁区域是非常容易实现的。
S2、在脉动热管中以冷凝端以下部分为设计域，在热源处以及冷凝端处建立边界条件，建立脉动热管的物理模型。
具体来说，使用拓扑优化方法就需要将设计域网格化。在脉动热管中，流道内工质以两相流的形式进行振荡，通过显热和潜热两种方式进行传热，具有较高的导热系数；管壁则以材料固定的导热系数进行热传导，该处导热系数相对较低。故根据导热性能，将脉动热管分为导热系数大的流道区域和导热系数小的管壁区域。
选定冷却端下沿以下部分为设计域并建立边界条件，将高导热系数区域设置为热源，为了更好的引导流道生成，冷端的边界条件采用低温段与绝热段间隔分布的形式设置，其中低温段代表处于冷凝端的流道，绝热段代表管壁，然后在该设计域内进行分析计算，生长出合适的流道。
进一步地，在物理模型基础上以稳态热传导为载荷进行热分析计算，以作为对物理模型正确性的验证。
S3、基于所述脉动热管的物理模型进行有限元离散，初始化单元格设计变量，所述单元格的设计变量为单元格区域的材料密度。
每个单元格都具有一个相对密度数值，其大小在0-1之间，通过密度数值大小来表示单元格的状态。当相对密度为0时，表示单元格不被固体占据；而当相对密度为1时，表示单元格被固体占据。在进行拓扑优化时，目标函数的最大化或最小化将最终决定设计域内各单元格相对密度数值。相对密度值是额外引入的一个只存在于计算中、现实不存在的单元密度。这个密度是可变的，取值范围为[0,1]，变化是连续的。将虚拟的单元密度与实际的结构材料参数联立构建函数关系。
S4、对单元格的材料属性和结构热载荷进行有限元分析，求解温度场。
S5、建立热柔度响应和材料体积分数响应，以热柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立优化目标函数。
脉动热管拓扑优化计算应满足固体各向同性材料惩罚模型，该模型假设材料密度在单元格内为常数并以此为设计变量，材料属性由单元格密度的指数函数来模拟，以便计算。如下式所示：
k(γi)＝(k1-k2)(1-γi)p+k2
式中：k1为管壁区域的导热系数；k2为流道区域的导热系数；γi为第i个单元格的相对密度；p为惩罚因子。作为本发明优选的实施方式，在进行拓扑优化设计时，将惩罚系数设置为3～5之间。
S6、基于拓扑优化计算求解目标函数，并基于目标函数最优时求解的变量数值更新设计变量。
S7、根据更新后的设计变量进行三维建模，得到脉动热管的设计方案。
使用软件对拓扑优化结果进行轮廓提取，并对其进行再优化使其更符合脉动热管的工作特性。
下面通过具体的应用实例，对本发明的方案和效果做进一步说明。
实施例1
如图2所示，在68mm×126mm的热管区域内，尺寸为20mm×20mm的热源位于脉动热管的下部中间位置。经过分析后建立设计域，施加边界条件约束后得到结果如图3所示。将流道的尺寸控制在2-4mm，进而保证流道尺寸符合脉动热管设计。基于SIMP方法，限制材料的体积比，将热柔度最小设为优化目标，对设计域进行拓扑优化计算，优化结束后将结果导入二维表征软件，得到优化后的二维结构如图4所示。根据得到的二维优化结果进行轮廓提取，并将结果导入二维建模软件，依据脉动热管的基本运行特点进行分析，并对二维结构进行再设计。将优化后的二维结构导入三维建模软件，得到优化的三维结构。如图5所示为优化结果的三维绘制。
实施例2
如图6所示，在68mm×126mm的热管区域内，尺寸为10mm×10mm的两个热源位于脉动热管的下部。经过分析后建立设计域，施加边界条件约束后得到结果如图7所示。将流道的尺寸控制在2-4mm，进而保证流道尺寸符合脉动热管设计。基于SIMP方法，限制材料的体积比，将热柔度最小设为优化目标，对设计域进行拓扑优化计算，优化结束后将结果导入二维表征软件，得到优化后的二维结构如图8所示。根据得到的二维优化结果进行轮廓提取，并将结果导入二维建模软件，依据脉动热管的基本运行特点进行分析，并对二维结构进行再设计。将优化后的二维结构导入三维建模软件，得到优化的三维结构。如图9所示为优化结果的三维绘制。
实施例3
如图10所示，在68mm×126mm的热管区域内，尺寸为10mm×10mm的三个热源位于脉动热管的下部中间位置。经过分析后建立设计域，施加边界条件约束后得到结果如图11所示。将流道的尺寸控制在2-4mm，进而保证流道尺寸符合脉动热管设计。基于SIMP方法，限制材料的体积比，将热柔度最小设为优化目标，对设计域进行拓扑优化计算，优化结束后将结果导入二维表征软件，得到优化后的二维结构如图12所示。根据得到的二维优化结果进行轮廓提取，并将结果导入二维建模软件，依据脉动热管的基本运行特点进行分析，并对二维结构进行再设计。将优化后的二维结构导入三维建模软件，得到优化的三维结构。如图13所示为优化结果的三维绘制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以导热系数数值做参照，对脉动热管中复杂的两相流传热原理进行抽象表达，所述的抽象表达包括将脉动热管分为流道区域和管壁区域，其中流道区域的导热系数大于管壁区域；
S2、在脉动热管中以冷凝端以下部分为设计域，在热源处以及冷凝端处建立边界条件，建立脉动热管的物理模型；
S3、基于所述脉动热管的物理模型进行有限元离散，初始化单元格设计变量，所述单元格的设计变量为单元格区域的材料密度；
S4、对单元格的材料属性和结构热载荷进行有限元分析，求解温度场；
S5、建立热柔度对温度场的响应和材料体积分数对温度场的响应，以热柔度为优化目标，以材料体积分数为约束，建立优化目标函数；
S6、基于拓扑优化计算求解目标函数，并基于目标函数最优时求解的变量数值更新设计变量；
S7、根据更新后的设计变量进行三维建模，得到脉动热管的设计方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，其特征在于，基于所述脉动热管的物理模型进行有限元离散，初始化单元格设计变量，包括将单元格的设计变量设置为大小在0-1之间的相对密度数值，该值连续可变，将虚拟的单元密度与实际的结构材料参数联立构建函数关系。当相对密度为0时，表示单元格不被固体占据；而当相对密度为1时，表示单元格被固体占据。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，其特征在于，在脉动热管中以冷凝端以下部分为设计域，在热源处以及冷凝端处建立边界条件，建立脉动热管的物理模型，包括：
将流道区域设置为热源，将冷端的边界条件设置为低温段与绝热段间隔分布，其中低温段代表处于冷凝端的流道，绝热段代表管壁。
4.根据权利要求3所述的一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，其特征在于，在脉动热管中以冷凝端以下部分为设计域，在热源处以及冷凝端处建立边界条件，建立脉动热管的物理模型，还包括：
在物理模型基础上以稳态热传导为载荷进行热分析计算，以作为对物理模型正确性的验证。
5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，其特征在于，进行拓扑优化计算时满足固体各向同性材料惩罚模型，所述固体各向同性材料惩罚模型假设材料密度在单元格内为常数，材料属性由单元格密度的指数函数来模拟，所述材料属性根据以下计算获取：
k(γi)＝(k1-k2)(1-γi)p+k2
式中：k1为管壁区域的导热系数；k2为流道区域的导热系数；γi为第i个单元格的相对密度；p为惩罚因子。
6.根据权利要求5所述的一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，其特征在于，所述惩罚因子被设置为在3～5之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化的脉动热管设计方法，其特征在于，根据更新后的设计变量进行三维建模，包括使用软件对拓扑优化结果进行轮廓提取。
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