一种基于扩散反扩散系统的自组织热沉结构设计方法

1.本发明涉及工程散热技术领域，尤其涉及一种基于扩散反扩散系统的自组织热沉结构设计方法。


背景技术：

2.热沉是广泛应用于工业装备散热的装置类型，主要通过增大换热面积、强化对流换热和热传导来增强冷却效果，在高温动力推进、电子芯片等领域都有重要的应用。评价热沉的两大指标是换热能力和压力损失。如何用尽可能小的压力损失获得尽可能高的换热能力，是热沉技术发展过程中最重要的问题，也是当下热沉发展的瓶颈所在。
3.目前常见的热沉均具有规则的外形，如肋片、翅片等。这类结构虽然便于制造，但在换热能力和压力损失上的综合性能较为低下，仍有较大的提升空间。为提升该综合性能，可采用改善几何特征、改进换热器材料和微通道换热等途径。其中，改善几何特征由于所需成本较少，是受到广泛研究的改进方向。改善几何特征又分为两种方法，一种是将圆柱、直肋等简单结构进行组合得到性能更好的热沉；另一种是构建复杂的曲线(面)结构以兼顾散热能力和压力损失。在上述两种方法中，构建复杂的曲线(面)结构由于具有更高的自由度，且可以更好地逼近理论中的最优结构，是一种具有前景的通过改善几何特征提高热沉综合能力的方法。
4.然而，在设计域内对多个复杂曲线(面)的构建和控制具有相当大的难度，需要根据流场的分布特点和换热特性调整生成机制。常用的密度法、水平集法和分形算法虽然可以表征复杂的结构，但都缺乏几何约束和几何控制手段。这些技术无法支撑设计人员直接控制局部的尺度、走向、连续性等。
5.自组织算法是一种基于自然界中一些生物所具有的模式来生成和描述复杂形貌的数学算法。其中，带有源项的扩散系统可用于生成在一些鱼类身上所具有的图灵斑结构，且具有较好的可控性。在已有研究中，扩散类的自组织系统能以很少的时间实现对最优结构的良好逼近，展现出低压力损失、高换热量的特点。基于增材制造技术，通过自组织算法构建热沉是提升热沉综合性能的可行途径，具有较好的应用前景。
6.因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于扩散反扩散系统的自组织热沉结构设计方法。


技术实现要素：

7.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是针对现有热沉几何结构设计的不足，仿照自然界中白蚁巢穴的结构，提出一种基于扩散反扩散的自组织几何生成算法，引入三种不同类型的控制场，并通过调节控制场与几何初值场，生成无法通过简单的几何语言描述的复杂结构。基于自组织方法生成的热沉结构在保持连续性的同时具有高度复杂性，相较于传统结构在降低压损的同时更好的换热性能。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种基于扩散反扩散系统的自组织热沉结构设计
方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.步骤1：根据热沉的使用需要，确定换热系数、压降等设计指标，确定设计区域ω与流道的入口与出口，选定一组初始的控制场与几何初值场f0；
10.步骤2：通过扩散反扩散迭代方程对几何初值场f0进行迭代，满足收敛条件后得到设计区域内的一标量函数f，并通过相场模型法获得自组织结构；
11.步骤3：将步骤2中的几何边界信息导入到建模软件中，转换为几何实体，用于后续建模仿真与加工；
12.步骤4：将得到的几何实体进行计算流体力学仿真，得到热沉的换热性能数据，对结构性能进行评估；
13.步骤5：根据传热性能表现判断是否需要对结构进行优化，如未达到步骤1所述的设计指标，则采用优化方法对控制场与几何初值场进行优化，进入步骤6；如已达到设计要求，则加工热沉结构用于实际使用；
14.步骤6：根据定义问题的可采取优化算法对控制场与几何初值场进行优化，优化后得到新的控制场与初值场，转跳至步骤2。
15.进一步地，所述步骤1的所述一组初始的控制场包括结构大小控制场g、结构各向异性控制场u与结构比例控制场k；
16.其中结构大小控制场g为一大小与设计区域相同的标量场，用于控制几何结构的大小，取值越大，对应的结构越大；其中结构各向异性控制场u为一大小与设计区域相同的矢量场，用于控制结构的各向异性，各向异性场的存在可以使结构沿u矢量所确定的方向沿伸，控制流体的走向；其中结构比例控制场k为一大小与设计区域相同的标量场，用于控制设计区域内流体与固体的比值，取值越大，流体区域比例越大，反之固体比例越大。
17.进一步地，所述步骤1中的所述几何初值场f0为一个与设计区域大小相同的标量场，其取值范围应为[0，1]。
[0018]
进一步地，所述步骤2中的标量函数f定义在设计区域内，由所述几何初值场通过扩散反扩散方程迭代收敛得到，其取值范围为[0，1]。
[0019]
进一步地，所述步骤2中所述扩散反扩散迭代方程包括两个部分，分别为迭代函数与截断函数，其中迭代函数的具体形式为：
[0020][0021]
其中与分别为扩散项与反扩散项的系数，控制结构扩散与反扩散的强度；为梯度算子；为矩阵的哈达玛乘积；为矩阵的克罗内克乘积；δ为各向异性系数，控制结构的各向异性比例；
[0022]
截断函数的具体形式为：min(max(1，f)，0)。
[0023]
进一步地，所述步骤2中所述收敛迭代包括收敛条件，所述收敛条件包括两类，迭代次数达到上限或前后两次迭代的误差小于容许范围；达到任意一个所述收敛条件后停止迭代，迭代次数上限与误差容许范围的设定应根据具体问题确定。
[0024]
进一步地，所述步骤2的所述相场模型法具体方法如下：对于一个标量函数场f与一确定对的边界阈值f
*
∈(0，1)，将f＝f
*
组成的点集作为结构的边界，将f＞f
*
组成的点集作为结构的外部，将f＜f
*
组成的点集作为结构的内部。
[0025]
进一步地，以所述步骤3中的所述几何边界信息包括构成边界的点集，导入建模软件中转化为可编辑的几何实体。
[0026]
进一步地，所述步骤4的所述计算流体力学仿真中，采用k-epsilon湍流模型和增强型壁面条件，根据工作条件设置相应的进出口条件，设置相关参数。
[0027]
进一步地，所述步骤5中的所述设计要求包含两个部分：表面温度分布与压力损失；其中表面温度分布可以用无量纲数nu进行表示，同时应考虑结构表面最高温度；压力损失可以用无量纲数cf进行表示，实际中应根据具体工作条件与要求综合考虑；
[0028]
所述步骤5的所述加工热沉结构的加工方式包括增材制造技术；该技术可用于制造具有复杂结构的金属类零件，实际中应根据具体材料选择合适的加工方式。
[0029]
所述步骤6的所述优化算法包括伴随优化法、代理模型方法。
[0030]
本发明的有益效果在于：
[0031]
(1)基于扩散反扩散的自组织方法可以在计算域内的任意位置控制热沉结构的大小、朝向和连续性，形成小体积、大表面积、能引导流场分布的具有复杂几何形状的热沉结构；
[0032]
(2)实验表明基于自组织方法设计的热沉结构，压力损失明显小于传统的针肋阵列结构，换热能力也有较大提升；
[0033]
(3)仿真结果表明自组织方法设计的热沉结构流场分布更加合理，具有良好的流热协同特性，可以在减小压损的同时提升换热能力；
[0034]
(4)相较于拓扑优化等其他优化设计方法，自组织方法获得的热沉结构具有很好的连续性，不存在悬浮物或碎片，具有良好的可加工特性
[0035]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0036]
图1为基于扩散反扩散系统的自组织热沉设计算法的流程图；
[0037]
图2为设计热沉的组成、结构与进出口信息示意图；
[0038]
图3为基于扩散反扩散系统的自组织算法最终迭代结果示意图；
[0039]
图4为自组织算法设计热沉数字模型图；
[0040]
图5为自组织算法设计热沉结构网格划分示意图；
[0041]
图6为传统热沉结构与自组织算法设计热沉在一定工况下表面最高温度实验结果图。
具体实施方式
[0042]
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
[0043]
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，本发明提出一种基于扩散反扩散系统的自组织热沉结构设计方法.具体包括：
[0046]
步骤1：根据热沉的工作条件与要求确定热沉的设计区域与进出口。本实施例的情况为：气体从对角平行流入。热沉区域的尺度为l＝50mm，进出口宽度l＝1/5l。为了便于加工，热沉由两部分组成，其中基座部分高度h0＝3m，不可进行设计，而设计部分高度h＝5mm，可以进行几何设计，设计区域、进出口与一些几何信息在图2中标出。根据前期的设计经验，控制场与几何初始场在迭代前给出，考虑到简化模型，本实施例中k取为常数，为0.15。数值计算要求对设计区域进行网格划分，本实施例将网格划分为64
×
64的正方形网格。
[0047]
步骤2：将步骤1中给定的三个控制场与几何初始场带入迭代方程中进行迭代。具体到本实施例，具体边界条件为：
[0048][0049]
本实施例的最终的迭代结果如图3中自组织结构1所示。可以看出，自组织生成结构相较于传统结构具有更加复杂的几何特征，无法通过简单的几何语言进行描述。
[0050]
步骤3：通过matlab中contour命令可以得到集合边界上的一些点，组成的曲线是封闭的。采用solidworks可以导入生成相应曲线，并可以在草图中转化为可以编辑的实体。相关几何数字模型在图4中展示。
[0051]
为了使某一部分区域不产生任何几何结构，可以进行掩膜操作：每次迭代完成后，将非设计区域内的标量函数f值置为0，最后结构中将不会在这一区域产生几何结构。
[0052]
步骤4：首先在solidworks生成的热沉实体，并画出对应的流体域。转化为stp格式并导入到fluent中进行网格划分。本实施例的网格划分的规则如下：固体域和流体域的网格大小为0.35mm，流体域在除进出口截面的其他表面都添加了边界层以更精确地求解流动，具体参数为：层数21，增长率1.2，过渡率0.272。固体域在除了基座侧面的其他所有面处添加1层边界层以利于导热计算，过渡率也为0.272。本实施例中网格划分结果如图5所示。网格划分结束后需要对网格无关性与y 进行检验以保证网格划分的合理性，本实施例中网格数量在800万时收敛，绝大部分区域y 小于1，满足相关要求。计算模型采用可实现k-epsilon湍流模型和增强型壁面条件，其中边界条件需要根据具体问题进行设计，本实施例中相关设置如下：进口质量流量0.007183kg/s，出口压力1个大气压，热沉底面均布大小为4000w/m2的热流密度。仿真结束后通过计算表面温度分布与进出口压力变化对其传热性能进行分析，通过计算进出口压强对其压损性能进行分析，综合评价性能。同时导出表面流体流线图用于后续分析。
[0053]
步骤5：计算努塞尔数nu与压力损失系数cf的公式如下：
[0054][0055][0056]
[0057][0058]
其中hc为平均对流换热系数，ti与to分别为进出口温度，dh为进出口的水力直径，λ为空气导热系数，ρ为空气密度，δp为进出口压强差，u为入口速度。
[0059]
本实施例采用选择性激光熔化技术(slm)技术加工设计的热沉结构，加工材料为316l，加工精度为0.3mm，加工成品无裂纹瑕疵，满足工作要求。
[0060]
实施例2
[0061]
本实施例除三个控制场与实施例1不同外，其余过程均相同。nu＝297.35；cf＝12.90；nu＝301.48；cf＝12.73；nu＝348.74；cf＝10.02。得到的结果如图3中自组织结构2所示。
[0062]
实施例3
[0063]
本实施例除三个控制场与实施例1不同外，其余过程均相同。nu＝272.68；cf＝8.08；nu＝323.36；cf＝7.36；nu＝396.88；cf＝5.62。得到的结果如图3中自组织结构3所示。
[0064]
为了了解该发明中引入的三个控制场具体控制效果，本发明通过改变三个控制场，探究其对最终结构形成的影响。对于结构大小控制场g来说，当g的取值更大时，生成的结构也会更大；当g在空间中分布不是常数时，结构尺寸也随之发生变化。对于结构各向异性控制场u，结构将沿着所在位置处u场的方向沿伸。结构比例控制场k用于控制设计区域内流体与固体的比例，当k取值越大时，设计区域内流体比例越大，反之固体比例越大。这说明三个控制场的引入能够很好的实现对几何结构各方面的控制，在增加结构复杂性的同时不失可调节性。
[0065]
为了进一步了解该发明的换热性能与工程实用性，本发明通过上述三个实施例中自组织结构进行实验验证，通过实验的方式测出了热沉的表面温度分布与压力损失大小，并与传统的结构进行比较。在流量为20m3/h，加热功率为15w的条件下，各结构的表面温度最高温度分布如图6所示；各工况下计算得到的结构的nu与cf如表1所示。
[0066]
表1
[0067][0068]
结果表明，相较于传统的规则形状热沉结构，由自组织方式得到的热沉结构具有更低的表面平均温度，热区范围明显降低。最高温度相较于传统结构同样有显著降低。从无量纲数角度分析，自组织结构在保持甚至提高换热能力的同时，能够显著降低热沉结构的压力损失，获得更好的换热性能。从仿真的结果可以看出，自组织发给发设计的扰流柱结构，尾部旋涡数量较少，有利于降低压强损失；流热协同性更好，流体分布更加均匀，有利于
结构散热。
[0069]
由此可见，本发明提供的自组织设计方案相较于传统结构具有显著优势，可以在提高换热能力的同时显著降低压力损失。
[0070]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。