高热流密度散热器结构拓扑优化技术研究

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高热流密度散热器广泛应用于电子芯片和航天航空等领域,液冷板(单相流体强制对流)由于制造成本低、散热效率高,是应用最为广泛的散热手段之一。液冷板中的液冷通道布置形态是决定液冷板性能的重要因素,为了得到散热性能良好的散热通道布置形态,设计自由度大、灵活性高的结构拓扑优化技术已成为主要的设计手段。目前,基于结构拓扑优化技术的液冷散热通道布置形态设计已取得长足进展,但现有研究多侧重于流道拓扑优化算法的理论研究,对流道形态和流体流动、散热性能之间的关系阐明不足,同时复杂热载荷工况下的优化设计研究较少,使得结构拓扑优化设计技术在液冷板的实际应用中仍不多。针对目前研究中的不足,本文从工程应用角度出发,基于变密度法,对定常层流状态下的强制对流换热问题,研究基于结构拓扑优化技术的液冷板流道设计方法及其关键技术,并进一步制作基于设计结果的液冷板,研究其流动性能和散热性能的评价和验证方法。分别以流体耗散功最小、换热量最大和两者加权函数为目标进行液冷通道分布优化设计,构建液冷板结构拓扑优化设计数学模型;采用霍尔姆兹偏微分方程形式的密度过滤避免拓扑形态出现数值不稳定,采用双曲正切投影方法以得到清晰的流体通道拓扑形态,并采用连续变化投影斜率方法避免陷入局部最优;对不同进出口布置、不同初始解、不同权重比、复杂热载荷工况(单热源/多热源、均布/非均布热源)开展典型结构的优化设计,并探究上述因素对设计结果的影响;将拓扑优化设计得到的流道与传统直通道比较,通过有限元数值模拟,以流动和传热性能参数(温度、热阻、努塞尔数和压降)为评价指标,对比不同形式通道的散热性能;制作典型液冷板,搭建液冷循环实验系统,通过实验验证进一步验证设计结果。研究结果表明:(1)采用结构拓扑优化设计技术,可根据不同的优化目标(流量分配、热交换、加权多目标)、热载荷工况,实现液冷通道最优设计,设计得到的流固边界清晰、可加工性强;(2)不同出入口布置、雷诺数影响设计结果,设计者可根据实际工况进行选择;(3)拓扑优化设计的通道内压力、速度分布更均匀,压降、热阻更小,温度更低,努塞尔数更大,具有良好的流动和散热性能。本研究可为航空航天、微电子等领域高热流密度环境下的核心零件的热设计提供理论指导和解决方案。
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