矩形冷却通道填充X型桁架阵列结构的布置方案研究

采用数值模拟方法开展了矩形冷却通道填充X型桁架阵列结构的布置方案研究,分析了2种桁架布置方式(连续X型和离散双X型)、4种双X型桁架间距(P/S=1.5、P/S=1.0、P/S=0.5和P/S=0)以及2种双X型桁架布置方向(方向1和方向2)等方案下矩形冷却通道的流动与传热性能。研究结果表明:与布置连续X型桁架的通道相比,布置离散双X型桁架的通道具有更好的传热性能和综合热力性能,其平均努塞尔数和综合热力系数分别提高了7.05%和1.06%。随着双X型桁架间距的减小,通道的平均努塞尔数、摩擦系数和综合热力系数都呈现出先略有减小后又逐渐增大的变化规律。当双X型桁架间距为P/S=0.5时通道的流动性能最好,当双X型桁架间距为P/S=0时通道的传热性能和综合热力性能都最佳。与方向2相比,桁架布置为方向1时通道具有更好的传热性能和综合热力性能。

树状分支传热结构层次生长优化设计技术

为了有效设计小空间高热流密度电子元器件的传热结构,需要合理分布其散热通道。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂、加工制造困难等局限,基于自然界叶脉分支系统的分层生长特征,提出一种层次生长树状分支散热通道的优化设计方法。主通道和次通道分别采用不同的生长控制策略,依次生长形成传热结构,由基于温度信息的空间殖民算法控制主通道的生长,由最小热阻原理控制次通道的生长。对典型的二维和三维散热通道设计问题展开研究,并与SIMP方法设计结果进行对比。研究结果表明,所得到的散热通道形态简单、清晰,无细小分支和灰度单元,具有较好的散热性能和可制造性。

传热结构自适应拓扑优化准则法研究

合理的散热通道分布是提高小空间大热流密度传热结构散热性能最有效的手段。针对现有传热结构拓扑优化设计结果形态过于复杂,存在棋盘格、灰度单元等数值不稳定现象,提出一种基于基结构的散热通道分布的自适应拓扑优化方法。研究了适用于传热结构拓扑优化问题的基结构构建技术,建立满足库恩-塔克(Kuhn-Tucker,KKT)最优准则条件的迭代公式;以散热弱度最小为优化目标,以杆单元截面积为设计变量,对典型的二维和三维设计问题进行散热通道分布设计,并将设计结果与COMSOL软件优化结果进行对比。研究结果表明,提出的传热结构自适应拓扑优化方法产生的散热通道形态简单清晰,能满足散热性能,且优化过程收敛速度快,克服了现有优化方法产生的数值不稳定问题。