一种适配风扇特性曲线的电子设备异型风道设计方法与流程

技术特征：
1.一种适配风扇特性曲线的电子设备异型风道设计方法，其特征在于：使用达西简化模型近似湍流流场，使用变密度法以渗透率描述流体和固体；建立风扇特性曲线同系统流场及温度场耦合的简化模型，实现风扇工作点与当前工况实时匹配；使用移动渐近线优化算法，在系统压降约束和体积约束条件下，最小化热源均温，实现电子设备内风道的设计。2.一种适配风扇特性曲线的电子设备异型风道设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立达西流模型描述下的系统控制方程，包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，并建立对应的有限元刚度方程；2)配置变密度法中流体材料和固体材料对应的伪密度值x，将其映射到0-1的区间，其中x＝0表示固体，x＝1表示流体；确定流体材料体积的上限确定初始的流体材料和固体材料的分布；3)确定系统所使用风扇特性曲线，用风压表征强制对流过程中系统阻力；4)配置具有简化风扇模型的边界条件，并在对应的有限元单元和节点施加载荷和约束；5)迭代准备，初始化移动渐近线mma优化算法的参数配置，启动优化迭代过程；6)建立网格过滤器，有限元网格单元的伪密度为其自身伪密度与其邻近单元的伪密度的加权平均，更新单元伪密度；根据当前伪密度计算单元的材料属性；7)计算各单元的压力单元刚度矩阵，并组装得到压力场求解的整体刚度矩阵；两步迭代计算当前系统阻抗匹配的风扇工作点；8)根据当前系统各单元的热导率以及迭代后的压力场，计算各有限元单元的单元刚度方程，并组装得到温度场计算的整体刚度矩阵；根据体热源及热流密度边界条件，计算温度场计算的载荷向量；风扇进出风口边界温度耦合，修正温度场计算的整体刚度矩阵和载荷向量，并计算得各有限元节点温度；9)计算目标函数、压降约束函数及体积约束函数，并进行灵敏度分析；将上述灵敏度输入到移动渐近线优化算法中，优化获得新的设计变量，即各单元的伪密度值；10)收敛条件判断，满足以下任一条件，停止迭代；否则返回步骤6)；其一，当前迭代步数大于最大迭代步数，强制停止优化迭代；其二，当相邻两迭代步设计变量的最大变化值小于收敛标准。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤1)中达西流模型描述下的系统控制方程为：式中，u为速度场，p为压力场，t为温度场，q为体热源，α为渗透率，μ为动力粘度，ρ为密度，c
p
为比热容，k为热导率；达西流模型描述下的有限元刚度方程为：
式中，k
p
、f
p
、p分别为压力场求解的总体刚度矩阵、载荷向量、解向量，k
t
、c(p)、f
t
、t分别为温度场求解的热传导总体刚度矩阵、热对流总体刚度矩阵、载荷向量、解向量，n为有限元形函数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的步骤2)中的变密度法描述拓扑时，拓扑优化问题公式表达为：式中，x
i
为各单元的伪密度，x为所有设计变量构成的向量，c为目标函数，n
h
为目标函数所关注的节点数量，t
i
为对应节点温度，v
c
和为当前流体体积分数及其上限，p
fin
和p
fout
分别为风扇进风口的压力和出风口的压力。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤3)中风扇特性曲线为风量-风压特性曲线，描述的风量与风压应为负相关。6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤4)中简化风扇模型是指用不考虑风扇内部因扇叶转动产生的流场，而是将风扇进风口和出风口作为边界条件；边界条件包括压力边界条件、速度边界条件、温度边界条件、体热源、边界热流密度；确定流体从外界流入系统的进口和出口在达西流模型下均设置为狄利克雷边界条件，即设置系统进口节点处的压强和出口节点处的压强；设置系统进口在温度控制方程中为狄利克雷边界条件，即设置系统进口节点处的温度；风扇模型区域内部不分配网格单元和节点，风扇模型内部的流动和传热现象作为黑箱处理；风扇的进风口和出风口在达西流模型下均设置为诺伊曼边界条件，即设置进口单元面的法向速度和出口单元面的法向速度，满足“进风口面积
×
进风速度＝出风口面积
×
出风口速度”；风扇出风口温度和进风口温度耦合，设置风扇出风口节点温度为进风口节点温度均值与风扇自身发热功率相关的温度增量的加和；其表达式为：式中，t
fout
和t
fin
分别为风扇出风口节点温度和进风口节点温度，n
fin
为风扇进风口节点
数量，δt为风扇自身热损耗产生的温差。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤6)中网格过滤器的配置包括网格的过滤半径和单元的权重，其形式为：式中，r
min
为网格过滤半径，和x分别表示过滤后和过滤前的单元伪密度，e单元应位于过滤半径内的中心位置，dist为两单元之间的距离，h
e,i
为i单元对e单元的过滤权重；网格过滤后单元的材料属性表达式为：式中，α、k、ρ、c
p
分别表示单元的渗透率、热导率、密度、比热，f和s分别用于表示流体和固体，p
α
、p
k
、p
ρ
、分别表示单元的渗透率、热导率、密度、比热的插值惩罚因子。8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的步骤7)中两步迭代计算当前系统阻抗匹配的风扇工作点，第一步需配置初始假设风扇出风口风速，并根据进出口风量相等，计算对应风扇进风口风速，并计算当前压力场，获取当前风扇进出风口的压差；第二步需根据达西流流场特性，系统阻抗与风扇风速存在线性关系，即为过原点斜率为正的直线，计算得到该直线与风扇的风量-风压曲线的交点，即为当前风扇工作点；取该工作点的风量，对应计算风扇进出风口的速度，作为边界条件，再次计算压力场，并计算风扇进出风口的压强差，即为该风扇匹配当前系统阻抗的风压；两步迭代计算当前系统阻抗匹配的风扇工作点，具体表达式如下：
式中，u1、f
p1
、p1分别表示初始假设的风扇出风口速度及对应计算所得载荷向量和压力场解向量，a表示风扇出风口的面积，p1和q1表示初始假设计算所得风压和风量，f(p,q)表示风扇风量风压特性曲线，p2和q2表示匹配当前系统阻抗的风扇工作点对应的风压和风量；u2、f
p2
、p2分别表示工作点对应的风扇出风口速度及载荷向量和压力场解向量。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的步骤9)中对目标函数、压降约束函数及体积约束函数进行灵敏度计算，使用伴随法分析；某函数对设计变量的伴随敏度表达形式为：形式为：形式为：形式为：形式为：形式为：形式为：形式为：式中，φ和分别为设计变量相关的某函数即目标函数或约束函数及其对应的伴随形
式，和为伴随向量，为迎风修正后的形函数，b为形函数n对空间的偏导；目标函数即热源均温对各设计变量的偏导，结合式(7)表达为：式中，ω
h
表示目标函数所关注的节点的集合；压降约束函数即风扇风压对各设计变量的偏导，结合式(7)表达为：式中，ω
fout
和ω
fin
分别表示风扇出风口节点集合和进风口节点集合，n
fout
和n
fin
分别表示风扇出风口节点数量和进风口节点数量；在优化过程，通过初值和压降约束函数的设置，获得在某预设风扇工作点下的最优风道结构；如若在优化过程中，随着目标函数的下降，压降约束函数呈下降趋势，则通过约束风扇进出风口压降大于某设定值，控制风道在该预设风扇风压值下进行优化；若在优化过程中，压降约束函数随目标函数的下降呈上升趋势，则约束风扇进出风口压降小于某设定值，实现风道结构优化过程中风扇工作点的精确控制；体积约束函数即流体体积占比对各设计变量的偏导，结合式(7)表达为：

技术总结
一种适配风扇特性曲线的电子设备异型风道设计方法，先使用达西简化模型近似湍流流场，使用变密度法以渗透率描述流体和固体；再建立风扇特性曲线同系统流场及温度场耦合的简化模型，实现风扇工作点与当前工况实时匹配；然后使用移动渐近线优化算法，在系统压降约束和体积约束条件下，最小化热源均温，实现电子设备内风道的设计；本发明在系统压降损失允许的范围内，最小化热源均温，同时可实现风扇工作点的精确控制，适用于风扇作为动力源的电子设备散热场景。电子设备散热场景。电子设备散热场景。


技术研发人员：李宝童 巴佳豪 程阿康 刘宏磊 洪军
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.31
技术公布日：2022/4/1