一种液冷板均衡分流流道优化设计方法与流程

本公开实施例涉及电子设备液冷散热，尤其涉及一种液冷板均衡分流流道优化设计方法。

背景技术：

1、随着大功率电子阵列设备、高密度集成电子装备朝着阵列化、高功率密度方向快速发展，核心功率器件长期连续工作会产生大量热损耗。当前行业内普遍采用液冷板作为高密度电子装备主流冷却载体，依靠内部多支路流道实现冷却介质输送与热量疏导，流道结构形式、分支布局、流道截面构型直接决定介质流动阻力、压力损失及各出口流量分配均匀性，是影响整个液冷系统工作性能的核心关键。

2、传统液冷板流道多采用经验化规整布局设计，多为直道、折道、等分分支等常规构型，设计过程主要依靠工程经验与简单仿真校核，缺乏系统化、精细化的设计手段，难以兼顾降低压降与多支路流量均衡双重需求，尤其在阵列天线的多出口并行分流工况下，极易出现近端流量偏大、远端流量偏小的分配失衡现象，无法满足高集成大功率电子装备冷却介质均匀分配、流阻可控、流场稳定的严苛使用要求。

3、现有常规流道设计方法多以几何尺寸参数迭代优化为主，仅对流道宽度、高度、分支角度等局部尺寸进行微调，未从设计域全局角度开展流道拓扑构型的自主演化设计，优化自由度低、创新构型受限，难以突破传统规整流道的流动固有缺陷。同时，多数仿真优化研究多侧重于传热性能耦合分析，重点关注温度场分布与散热效果，往往忽略纯流体域下层流状态下的流动特性、出入口压降控制及多出口流速与流量的均衡性调控，针对层流工况专门开展流道优化设计、以压降最小和出口流量均布为目标的系统化设计方法相对匮乏。

4、因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

5、需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现思路

1、本公开实施例的目的在于提供一种液冷板均衡分流流道优化设计方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

2、根据本公开实施例，提供一种液冷板均衡分流流道优化设计方法，包括：

3、步骤s1：根据液冷板的几何参数构建液冷板的流体计算域，并设定边界条件；

4、步骤s2：将流体设计域填充为渗透率可调的拓扑材料单元，引入设计变量表征设计域内材料物相分布状态；其中，设计变量取值在0到1之间，趋近0代表实体基体区域，趋近1代表流体流通区域；

5、步骤s3：采用达西罚函数模型对设计域内的等效渗透率进行插值处理，以最小化液冷板出入口压降和出口速度方差为双目标优化、以流道体积分数为约束，建立流道拓扑优化数学模型；

6、步骤s4：基于流道拓扑优化数学模型，采用滤波器进行光滑滤波处理，结合投影策略剔除中间灰度单元，调用优化求解器迭代运算，直至满足预设迭代收敛判定条件，得到最优流道拓扑构型；

7、步骤s5：对最优流道拓扑构型进行几何重构，得到二维流道构型，并将其转化为三维流道实体结构。

8、进一步地，步骤s1具体包括：

9、根据雷达阵面整体外形尺寸，确定液冷板几何参数，并基于多物理场仿真平台，在流体计算域中完成液冷板的设计域、流体入口和流体出口的建模；其中，液冷板几何参数包括液冷板整体长度、整体宽度、流体进出口结构尺寸、布设位置以及分流出口数量；

10、录入液冷板冷却基材物性参数与工况运行参数，根据层流流动要求对设计域开展完整边界条件设定，依次完成流体主流进口、三组分流出口及液冷板固体壁面的边界条件类型与参数赋值，同步配置流场求解所需体积力相关参数；其中，冷却基材物性参数包括材料密度和动力粘度；工况运行参数包括参考压力水平和参考温度。

11、进一步地，步骤s3中，达西罚函数模型的等效渗透率插值表达式为：

12、

13、

14、其中，为设计变量；为等效渗透率，为流体域最大渗透率，为惩罚因子，为达西数，为雷诺数；

15、双目标优化的目标函数为：

16、

17、其中，为权重因子，为进出口压差，为第

i个出口的流速，为平均流速，为出口数量；

18、流道拓扑优化数学模型为：

19、

20、其中，为设计域，为设计域面积，为体积分数，为流体速度矢量，为出口速度，为出口数量，为入口边界，为壁面边界，为矢量方向向量，为粘性应力张量，为对称边界条件，为单位向量，为黏性应力张量，为出口边界设定的静压，为出口边界，为流体密度，为梯度算子，为压力，是体积力矢量，为时间。

21、进一步地，步骤s4中，滤波器为亥姆霍兹滤波器，其表达式为：

22、

23、其中，为过滤半径；为原始设计变量；为过滤后的设计变量；

24、投影策略采用双曲正切函数投影，其表达式为：

25、

26、其中，为投影斜率，为投影点。

27、进一步地，优化求解器采用mma算法，其预设迭代收敛判定条件为：

28、

29、其中，为当前迭代步目标函数值；为上一步迭代目标函数值；为优化容差。

30、进一步地，步骤s5中，对最优流道拓扑构型进行几何重构时，还包括：

31、对流道棱角及转折位置进行圆滑过渡处理，以消除尖角突变结构。

32、进一步地，步骤s5中，三维流道实体结构通过将圆滑处理后的二维流道构型导入三维建模软件进行拉伸得到。

33、进一步地，该方法还包括：

34、将三维流道实体结构与设备主体结构进行集成匹配，形成液冷板整体结构方案，并对整体结构进行cfd仿真校核，验证各支路流动均匀性及温度场分布。

35、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

36、本公开的实施例中，通过上述方法，一方面，该方法采用拓扑优化方式，以压降最小和出口流量均布为优化目标，能够在限定空间内自主演化出最优流道构型，从根本上改善了传统规整流道存在的分流不均、局部流阻偏大、流量分配差异明显等缺陷。有效平衡系统压降损失与多支路流量均衡性，无需多次仿真试算和样机迭代，大幅缩短设计周期，提升液冷板流道布局合理性与流动稳定性。另一方面，该方法全程基于纯流体域开展优化设计，不耦合多余传热计算，聚焦流道自身流动分配性能，设计针对性更强、计算效率更高。同时所提的设计方法不受液冷板分流出口数量限制，可适配不同支路数量、不同布局形式的流道方案，通用适配性优异。所优化成型的流道结构适用范围广，可满足各类集成电子装备液冷配套需求，有效提升液冷系统运行可靠性。

1.一种液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，步骤s1具体包括：

3.根据权利要求2所述液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，步骤s3中，达西罚函数模型的等效渗透率插值表达式为：

4.根据权利要求3所述液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，步骤s4中，滤波器为亥姆霍兹滤波器，其表达式为：

5.根据权利要求4所述液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，优化求解器采用mma算法，其预设迭代收敛判定条件为：

6.根据权利要求5所述液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，步骤s5中，对最优流道拓扑构型进行几何重构时，还包括：

7.根据权利要求6所述液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，步骤s5中，三维流道实体结构通过将圆滑处理后的二维流道构型导入三维建模软件进行拉伸得到。

8.根据权利要求7所述液冷板均衡分流流道优化设计方法，其特征在于，该方法还包括：