高热流密度散热器结构拓扑优化技术研究
发布时间：2021-10-13 09:38
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...
【文章来源】：上海理工大学上海市
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
符号表
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 拓扑优化技术
1.2.2 拓扑优化在传热结构中的应用
1.3 论文的研究内容
1.4 论文的章节安排
1.5 本章小结
第二章 基于变密度法的流体传热拓扑优化关键技术
2.1 拓扑优化问题的一般数学描述
2.2 流体拓扑优化问题
2.3 控制方程
2.3.1 不可压缩定常层流流动
2.3.2 共轭传热
2.4 伴随法灵敏度分析
2.5 过滤和投影
2.6 拓扑优化设计流程
2.7 数值实现方法
2.8 本章小结
第三章 液冷通道拓扑优化设计
3.1 流量分配问题
3.1.1 设计模型
3.1.2 优化数学模型
3.1.3 设计算例及结果分析
3.2 热交换最大问题
3.2.1 设计模型
3.2.2 优化数学模型
3.2.3 算例设计及结果分析
3.3 多目标优化问题
3.3.1 设计模型
3.3.2 初始解
3.3.3 优化数学模型
3.3.4 设计结果
3.4 本章小结
第四章 液冷通道流动散热性能数值模拟
4.1 有限元模型
4.1.1 模型描述
4.1.2 控制方程
4.1.3 边界条件
4.1.4 材料属性
4.1.5 网格敏感性分析
4.2 单热源工况数值模拟结果分析
4.3 多热源工况数值模拟结果分析
4.4 本章小结
第五章 液冷通道流动散热性能实验
5.1 液冷循环实验系统
5.1.1 实验系统构架及实验器材选型
5.1.2 液冷板试样的设计与制造
5.2 实验方案
5.3 实验结果与分析
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
6.2.1 多进口多出口液冷板散热系统设计
6.2.2 湍流流动状态下的流固共轭传热拓扑优化
6.2.3 3D液冷热沉的实验仿真研究
6.2.4 风冷热沉的多尺度拓扑优化
参考文献
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]传热结构自适应拓扑优化准则法研究[J]. 魏啸,丁晓红. 机械工程学报. 2017(20)
[2]深空探测对航天器热控技术的推动[J]. 贾阳,刘强,向艳超,刘自军. 航天器环境工程. 2016(02)
[3]倾斜轨道星敏感器热控设计及在轨分析[J]. 杨昌鹏,赵欣,辛强. 航天器工程. 2013(06)
[4]基于自适应成长法的散热通道构建技术[J]. 杨东升,丁晓红,季学荣,刘炜. 中国机械工程. 2012(12)
[5]散热结构拓扑优化目标函数的讨论[J]. 乔赫廷,张永存,刘书田. 中国机械工程. 2011(09)
[6]航天器发展对热控制技术的需求分析[J]. 范含林. 航天器工程. 2010(01)
[7]拓扑相关热载荷作用下稳态热传导结构拓扑优化[J]. 张晖,刘书田,张雄. 中国机械工程. 2009(11)
本文编号：3434409
【文章来源】：上海理工大学上海市
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
符号表
第一章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 拓扑优化技术
1.2.2 拓扑优化在传热结构中的应用
1.3 论文的研究内容
1.4 论文的章节安排
1.5 本章小结
第二章 基于变密度法的流体传热拓扑优化关键技术
2.1 拓扑优化问题的一般数学描述
2.2 流体拓扑优化问题
2.3 控制方程
2.3.1 不可压缩定常层流流动
2.3.2 共轭传热
2.4 伴随法灵敏度分析
2.5 过滤和投影
2.6 拓扑优化设计流程
2.7 数值实现方法
2.8 本章小结
第三章 液冷通道拓扑优化设计
3.1 流量分配问题
3.1.1 设计模型
3.1.2 优化数学模型
3.1.3 设计算例及结果分析
3.2 热交换最大问题
3.2.1 设计模型
3.2.2 优化数学模型
3.2.3 算例设计及结果分析
3.3 多目标优化问题
3.3.1 设计模型
3.3.2 初始解
3.3.3 优化数学模型
3.3.4 设计结果
3.4 本章小结
第四章 液冷通道流动散热性能数值模拟
4.1 有限元模型
4.1.1 模型描述
4.1.2 控制方程
4.1.3 边界条件
4.1.4 材料属性
4.1.5 网格敏感性分析
4.2 单热源工况数值模拟结果分析
4.3 多热源工况数值模拟结果分析
4.4 本章小结
第五章 液冷通道流动散热性能实验
5.1 液冷循环实验系统
5.1.1 实验系统构架及实验器材选型
5.1.2 液冷板试样的设计与制造
5.2 实验方案
5.3 实验结果与分析
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
6.2.1 多进口多出口液冷板散热系统设计
6.2.2 湍流流动状态下的流固共轭传热拓扑优化
6.2.3 3D液冷热沉的实验仿真研究
6.2.4 风冷热沉的多尺度拓扑优化
参考文献
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]传热结构自适应拓扑优化准则法研究[J]. 魏啸,丁晓红. 机械工程学报. 2017(20)
[2]深空探测对航天器热控技术的推动[J]. 贾阳,刘强,向艳超,刘自军. 航天器环境工程. 2016(02)
[3]倾斜轨道星敏感器热控设计及在轨分析[J]. 杨昌鹏,赵欣,辛强. 航天器工程. 2013(06)
[4]基于自适应成长法的散热通道构建技术[J]. 杨东升,丁晓红,季学荣,刘炜. 中国机械工程. 2012(12)
[5]散热结构拓扑优化目标函数的讨论[J]. 乔赫廷,张永存,刘书田. 中国机械工程. 2011(09)
[6]航天器发展对热控制技术的需求分析[J]. 范含林. 航天器工程. 2010(01)
[7]拓扑相关热载荷作用下稳态热传导结构拓扑优化[J]. 张晖,刘书田,张雄. 中国机械工程. 2009(11)
本文编号：3434409
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