【摘 要】
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液冷均温板是一种通过液体工质带走热量的散热结构,具有较高的散热效率和较好的稳定性等优点,常用于航空航天电子器件的散热中。液冷流道布置形态是决定液冷均温板性能的重要因素,因此对液冷均温板开展流道分布优化设计非常必要。目前液冷散热流道分布设计中最常见的方法有拓扑优化方法和仿生设计方法。基于拓扑优化方法设计的流道,可提高其流动性能,但均温性较差;基于仿生设计方法设计的流道,可改善其均温性,但流阻性能不佳
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液冷均温板是一种通过液体工质带走热量的散热结构,具有较高的散热效率和较好的稳定性等优点,常用于航空航天电子器件的散热中。液冷流道布置形态是决定液冷均温板性能的重要因素,因此对液冷均温板开展流道分布优化设计非常必要。目前液冷散热流道分布设计中最常见的方法有拓扑优化方法和仿生设计方法。基于拓扑优化方法设计的流道,可提高其流动性能,但均温性较差;基于仿生设计方法设计的流道,可改善其均温性,但流阻性能不佳。为了解决拓扑优化方法及仿生设计方法各自的局限性,本文将基于连续体拓扑优化方法和仿生设计方法,结合自然界中植物叶脉结构的组成,对液冷流道分布进行分层设计;通过进一步制作液冷均温板,对液冷流道开展理论和实验研究。由于耐热型植物具有良好的传热传质能力,结合流道拓扑优化设计和耐热型植物高级脉序的叶脉结构特征,提出了一种包含主、次流道的层次流道分布设计方法,其中以热交换最大和流阻最小为目标开展主流道拓扑优化设计,提取植物叶脉高级脉序的结构特征,形成层次流道的次流道。定义了结构像素密度作为描述次流道中孔的密度参数,分析其对层次流道液冷均温板传热传质性能的影响;通过有限元分析,以温度、热阻、压降为评价指标,对比了不同形态流道的散热性能;制作层次流道液冷均温板,通过实验验证设计结果。结果表明:(1)主、次流道尺寸存在最优匹配,层次流道的主、次流道尺寸最优匹配规律与自然界中胡杨叶低、高级脉序尺寸匹配规律相近,研究结果不仅为液冷均温板的设计提供新思路,而且验证了耐热型植物叶脉结构特征对其传热传质性能产生的正面影响;(2)层次流道的换热面积大、换热效率高且速度分布更均匀,具有较小的流阻和较好的均温性。为了进一步研究液冷均温板的变形情况,基于流热固耦合理论,考虑压降及热应力对液冷均温板变形的影响,建立了有限元模型,进行流热固耦合仿真分析,并使用VIC-3D非接触式全场测试系统,进行实验验证。结果表明:仿真结果中的层次流道液冷均温板表面变形与实验结果吻合,验证了流热固耦合仿真分析的准确性。
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