本發(fā)明涉及一種液流通道布局設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種相控陣?yán)走_(dá)T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)背景

相控陣?yán)走_(dá)子陣的T/R組件是大的發(fā)熱源，熱流密度很大，同時(shí)其對(duì)環(huán)境的要求很高，不僅單個(gè)組件對(duì)工作溫度有較高的要求，還要求組成陣面后各陣元的溫度均衡性要好；高功率密度和大功率器件的散熱通常采用強(qiáng)迫液冷的方式，通過(guò)強(qiáng)迫液冷冷板和液冷機(jī)組實(shí)現(xiàn)；冷板是與發(fā)熱設(shè)備直接接觸的部件，冷板冷卻效果如何，直接影響發(fā)熱器件的工作溫度；當(dāng)冷板的外形尺寸和安裝位置確定后，對(duì)冷板的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就成為關(guān)鍵。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，冷板散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與熱仿真相結(jié)合的方式已經(jīng)成為主流；設(shè)計(jì)者依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及直覺(jué)設(shè)計(jì)出冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，然后利用熱仿真軟件進(jìn)行仿真分析，得到功率器件的溫度分布情況，驗(yàn)證其是否滿足使用要求，同時(shí)給出冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施。這種結(jié)合熱仿真的設(shè)計(jì)方式相比于以往的熱實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方式，雖然節(jié)約了大量的成本和時(shí)間，可以較為簡(jiǎn)便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，但是兩者在設(shè)計(jì)流程上均需要重復(fù)設(shè)計(jì)、仿真、改進(jìn)的工作，而且精力都主要集中在了散熱流道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的尺寸優(yōu)化上；并且采用的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局構(gòu)形通常為直線型、S型或螺旋型，雖然形式簡(jiǎn)單，易于加工制造，但是缺乏必要的理論依據(jù)，并且與實(shí)際的生熱情況不一定相匹配，難以保證散熱網(wǎng)絡(luò)布局設(shè)計(jì)的最優(yōu)性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種相控陣?yán)走_(dá)T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法，自然存在的分叉結(jié)構(gòu)總是以一種接近全局最優(yōu)的布局生長(zhǎng)，特別注意到植物根系的生長(zhǎng)受土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度影響，根系最終的結(jié)構(gòu)布局與土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度分布相匹配；如果以相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的生熱情況代表植物根系生長(zhǎng)時(shí)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分布，則冷板中散熱流道的布局設(shè)計(jì)可以通過(guò)模擬植物根系在土壤中的生長(zhǎng)獲得。根據(jù)冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與植物根系結(jié)構(gòu)具有的關(guān)聯(lián)性，本發(fā)明提出一種新穎的冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法，突破了常規(guī)的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，提高了設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。

為了達(dá)到上述目標(biāo)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種相控陣?yán)走_(dá)T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生長(zhǎng)的初始化：

1.1)設(shè)計(jì)域的構(gòu)建與初始化：根據(jù)實(shí)際相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的熱量生成情況，提取冷板散熱問(wèn)題的設(shè)計(jì)域與熱載荷邊界條件；然后將冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)域中的布局設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為植物根系在設(shè)計(jì)域內(nèi)依據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度生長(zhǎng)的問(wèn)題；冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)域?qū)?yīng)土壤中根系的生長(zhǎng)區(qū)域，記作Ω，熱載荷邊界條件中的不同熱流密度對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)域中不同的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，并在設(shè)計(jì)域建立直角坐標(biāo)系；

1.2)生長(zhǎng)參數(shù)的初始化：首先依據(jù)設(shè)計(jì)域的初始化條件為設(shè)計(jì)域內(nèi)的有限個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置初始營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，且營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的離散化的表達(dá)式記為Q(x，y)；然后指定散熱流體通道模擬生長(zhǎng)的初始生長(zhǎng)點(diǎn)，初始生長(zhǎng)點(diǎn)可以有一個(gè)或多個(gè)，且設(shè)初始生長(zhǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，Y)；最后對(duì)散熱流體通道模擬生長(zhǎng)的迭代終止條件等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置散熱通道的材料消耗上限為V_max，設(shè)置迭代生長(zhǎng)的步數(shù)上限為N_max；

2)冷板散熱網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)迭代生長(zhǎng)：

2.1)生成初始根：

初始根生長(zhǎng)的相關(guān)參數(shù)由人為設(shè)定，包括生長(zhǎng)長(zhǎng)度dL，生長(zhǎng)半徑dR和生長(zhǎng)的方向向量(e_x,e_y)；初始生長(zhǎng)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一步生長(zhǎng)各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削減附近的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；

每段根附近的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度按式(1)削減：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；Q_i0(x，y)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)次削減前的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；μ是一個(gè)預(yù)設(shè)的常數(shù)，代表營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度削減的梯度；D_i是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前根段的距離，D代表根段對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響范圍；

2.2)根系的迭代生長(zhǎng)：

每段初始根經(jīng)過(guò)迭代生長(zhǎng)最終形成根系的一個(gè)分支，一步生長(zhǎng)迭代中要對(duì)根系的每個(gè)分支依次進(jìn)行一步生長(zhǎng)；每個(gè)分支在一次生長(zhǎng)前就已存在的根稱作母根；根系的每一分支按如下的方法進(jìn)行迭代生長(zhǎng)：

2.2.1)在以包含母根的一定生長(zhǎng)區(qū)域Ω₁內(nèi)，尋取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度最高的節(jié)點(diǎn)Q_h，若存在多個(gè)濃度最高的點(diǎn)，則隨機(jī)取其中的一個(gè)；若所有局部生長(zhǎng)區(qū)域中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度均為0，則該分支停止生長(zhǎng)；

2.2.2)分別連接步驟2.2.1)中所述的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度最高點(diǎn)與母根每一根段的中點(diǎn)，各自形成一個(gè)預(yù)置的分叉；連接過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)連接線與其他母根根段相交，則放棄該分叉；若連接過(guò)程中所有連接線均與其他母根根段相交，則該分支停止生長(zhǎng)；

2.2.3)為確定分支在當(dāng)次迭代生長(zhǎng)中最終的生長(zhǎng)布局，需要對(duì)步驟2.2.2)所形成的預(yù)置分叉依次進(jìn)行分析，并且選取其中能夠使得根系材料消耗總體積最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的預(yù)置分叉，并且在根段對(duì)應(yīng)的局部生長(zhǎng)區(qū)域Ω₂內(nèi)移動(dòng)分叉點(diǎn)；隨著分叉點(diǎn)的移動(dòng)不斷按照式(3)、(7)、(8)更新母支與分支的半徑與長(zhǎng)度，并且如果分叉發(fā)生在當(dāng)前分支的中段，則更新應(yīng)該從當(dāng)前分叉開(kāi)始直到該分支的末端；

根系分支的每一步生長(zhǎng)的優(yōu)化目標(biāo)為使得根系材料消耗的總體積最小，即根系生長(zhǎng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

植物根系作為一種自然分叉結(jié)構(gòu)，在本質(zhì)上類似于流道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；依據(jù)流體理論對(duì)植物根系進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬中，需要遵循的法則有：

式中，r₀為母支半徑，r₁、r₂分別為兩個(gè)子支的半徑；式(3)即著名的Murray’s法則，滿足Murray’s法則的分叉系統(tǒng)的能量損失最小；

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在根系中運(yùn)輸時(shí)流動(dòng)控制方程假設(shè)為Poiseuille’s定律，使得流動(dòng)控制方程大大簡(jiǎn)化，如式(4)：

式中，Q為流體通道的體積流率，r為流體通道的當(dāng)量半徑，ν為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)，ΔP為通道兩端得壓力差，L為通道的軸向長(zhǎng)度；

在式(4)下，流體通道的流阻的表達(dá)式如式(5)：

式中，R為流體通道的流阻；

假設(shè)每次分叉中兩分支的流量相等，即：

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推導(dǎo)每個(gè)分叉中半徑與長(zhǎng)度關(guān)系式，即：

然后按照式(9)計(jì)算分叉點(diǎn)在每個(gè)位置時(shí)的根系總體積，并且選擇使得根系材料消耗總體積最小的分叉點(diǎn)最為該預(yù)置分叉的最優(yōu)選擇；

2.2.4)依據(jù)步驟2.2.2)與步驟2.2.3)，對(duì)所形成的所有預(yù)置分叉的根系總體積進(jìn)行比較，按照式(2)選擇使得根系總體積最小的分叉作為當(dāng)次迭代中根系該分支的最終生長(zhǎng)方案；

2.2.5)按照式(1)削減新生成根段附近的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；該分支在當(dāng)次迭代中的迭代生長(zhǎng)完成，并且形成的根將會(huì)作為下一次生長(zhǎng)迭代時(shí)該分支的母根；

2.3)迭代的終止：

依次對(duì)根系中的每個(gè)分支按照2.2)進(jìn)行一步生長(zhǎng)完成一次迭代，并重復(fù)，直至達(dá)到設(shè)置的迭代步數(shù)上限N_max或者達(dá)到材料的消耗上限V_max；

本發(fā)明的有益效果是：

由于本發(fā)明不依賴設(shè)計(jì)人員的長(zhǎng)期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所以能夠減少企業(yè)的設(shè)計(jì)人工成本；由于本發(fā)明在流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)中的計(jì)算以流道網(wǎng)絡(luò)的材料消耗最小化為目標(biāo)，和在分叉計(jì)算中引入了Murray’s法則以及Poiseuille’s定律，所以能夠生成有明確理論依據(jù)的結(jié)果；由于本發(fā)明是通過(guò)模擬植物根系在土壤中受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度支配的生長(zhǎng)來(lái)進(jìn)行散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，所以從設(shè)計(jì)出原理上就更加接近一種流道網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)，使得設(shè)計(jì)結(jié)果更加合理；與目前主流的冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局設(shè)計(jì)方法相比，使用本發(fā)明進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，不再需要重復(fù)設(shè)計(jì)、仿真、改進(jìn)的工作，明顯提高了工作效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而能夠幫助企業(yè)更好地應(yīng)對(duì)迅速變化得市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)更好的生產(chǎn)效益。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例的設(shè)計(jì)域及其轉(zhuǎn)化示意圖，其中圖1(a)為散熱問(wèn)題的設(shè)計(jì)域及邊界條件；圖1(b)為散熱問(wèn)題的轉(zhuǎn)化及直角坐標(biāo)系的建立。

圖2為實(shí)施例根系對(duì)附近營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響范圍示意圖。

圖3為實(shí)施例模擬根系生長(zhǎng)過(guò)程示意圖。

圖4為實(shí)施例模擬生長(zhǎng)完成后得到的散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法可對(duì)各類生熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱流道網(wǎng)絡(luò)的布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

一種相控陣?yán)走_(dá)T/R組件散熱流道網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)生長(zhǎng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1)冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生長(zhǎng)的初始化：

1.1)設(shè)計(jì)域的構(gòu)建與初始化：參照?qǐng)D1，根據(jù)實(shí)際相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的熱量生成情況，提取冷板散熱問(wèn)題的設(shè)計(jì)域與熱載荷邊界條件；然后將冷板散熱流道網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)域中布局設(shè)計(jì)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為植物根系在設(shè)計(jì)域內(nèi)依據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度生長(zhǎng)的問(wèn)題，冷板散熱的設(shè)計(jì)域?qū)?yīng)土壤中根系的生長(zhǎng)區(qū)域，記作Ω，熱載荷邊界條件中的不同熱流密度對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)域中不同的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，并在設(shè)計(jì)域建立直角坐標(biāo)系；

1.2)生長(zhǎng)參數(shù)的初始化：首先依據(jù)設(shè)計(jì)域的初始化條件為設(shè)計(jì)域內(nèi)的有限個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置初始營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，且營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的離散化的表達(dá)式記為Q(x，y)；然后指定散熱流體通道模擬生長(zhǎng)的初始生長(zhǎng)點(diǎn)，且設(shè)初始生長(zhǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)為(20，0)；最后對(duì)散熱流體通道模擬生長(zhǎng)的迭代終止條件等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置散熱通道的材料消耗上限為V_max＝0.17V_Ω，設(shè)置迭代生長(zhǎng)的步數(shù)上限為N_max＝40；

2)冷板散熱網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)迭代生長(zhǎng)：

2.1)生成初始根

初始根生長(zhǎng)的相關(guān)參數(shù)由人為設(shè)定，包括生長(zhǎng)長(zhǎng)度dL＝1，生長(zhǎng)半徑dR＝1以及生長(zhǎng)的方向向量(0,1)；初始生長(zhǎng)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一步生長(zhǎng)各自形成一段初始根；然后所有生成的根段按照式(1)削減附近的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；

參照?qǐng)D2，每段根附近的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度按式(1)削減：

Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-μ(D-D_i) (1)

式中，Q_i(x，y)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；Q_i0(x，y)代表第i個(gè)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)次削減前的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；μ是一個(gè)預(yù)設(shè)的常數(shù)，代表營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度削減的梯度；D_i是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前根段的距離，D代表根段對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的影響范圍；

在本實(shí)施例當(dāng)中取μ＝0.5，D＝4，,則Q_i(x,y)＝Q_i0(x,y)-0.5(4-D_i)；

2.2)根系的迭代生長(zhǎng)：

參照?qǐng)D3，初始根經(jīng)過(guò)迭代生長(zhǎng)最終形成根系的一個(gè)分支，一步生長(zhǎng)迭代中在一次生長(zhǎng)前就已存在的根稱作母根；根系的每一分支按如下的方法進(jìn)行迭代生長(zhǎng)：

2.2.1)在以包含母根的20X20的生長(zhǎng)區(qū)域Ω₁內(nèi)，尋取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度最高的節(jié)點(diǎn)Q_h，若存在多個(gè)濃度最高的點(diǎn)，則隨機(jī)取其中的一個(gè)；若所有局部生長(zhǎng)區(qū)域中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度均為0，則該分支停止生長(zhǎng)；

2.2.2)分別連接步驟2.2.1)中所述的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度最高點(diǎn)與母根每一根段的中點(diǎn)，各自形成一個(gè)預(yù)置的分叉；連接過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)連接線與其他母根根段相交，則放棄該分叉；若連接過(guò)程中所有連接線均與其他母根根段相交，則該分支停止生長(zhǎng)；

2.2.3)為確定分支在當(dāng)次迭代生長(zhǎng)中最終的生長(zhǎng)布局，需要對(duì)步驟2.2.2)所形成的預(yù)置分叉依次進(jìn)行分析，并且選取其中能夠使得根系材料消耗總體積最小的，采取以下方法：

首先只保留要分析的預(yù)置分叉，并且在根段對(duì)應(yīng)的局部5X5的生長(zhǎng)區(qū)域Ω₂內(nèi)移動(dòng)分叉點(diǎn)；隨著分叉點(diǎn)的移動(dòng)不斷按照式(3)、(7)、(8)更新母支與分支的半徑與長(zhǎng)度，并且如果分叉發(fā)生在當(dāng)前分支的中段，則更新應(yīng)該從當(dāng)前分叉開(kāi)始直到該分支的末端；

根系分支的每一步生長(zhǎng)的優(yōu)化目標(biāo)為使得根系材料消耗的總體積最小，即根系生長(zhǎng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

植物根系作為一種自然分叉結(jié)構(gòu)，在本質(zhì)上類似于流道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；依據(jù)流體理論對(duì)植物根系進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬中，通常需要遵循的法則有：

式中，r₀為母支半徑，r₁、r₂分別為兩個(gè)子支的半徑；式(3)即著名的Murray’s法則，滿足Murray’s法則的分叉系統(tǒng)的能量損失最??；

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在根系中運(yùn)輸時(shí)流動(dòng)控制方程假設(shè)為Poiseuille’s定律，使得流動(dòng)控制方程大大簡(jiǎn)化，如式(4)：

式中，Q為流體通道的體積流率，r為流體通道的當(dāng)量半徑，ν為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)，ΔP為通道兩端得壓力差，L為通道的軸向長(zhǎng)度；

在式(4)下，流體通道的流阻的表達(dá)式如式(5)：

式中，R為流體通道的流阻；

假設(shè)每次分叉中兩分支的流量相等，即：

由式(3)、(4)、(5)、(6)可推導(dǎo)每個(gè)分叉中半徑與長(zhǎng)度關(guān)系式，即：

然后按照式(9)計(jì)算分叉點(diǎn)在每個(gè)位置時(shí)的根系總體積，并且選擇使得根系材料消耗總體積最小的分叉點(diǎn)最為該預(yù)置分叉的最優(yōu)選擇；

2.2.4)依據(jù)步驟2.2.2)與步驟2.2.3)，對(duì)所形成的所有預(yù)置分叉的根系總體積進(jìn)行比較，按照式(2)選擇使得根系總體積最小的分叉作為當(dāng)次迭代中根系該分支的最終生長(zhǎng)方案；

2.2.5)按照式(1)削減新生成根段附近的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度；該分支在當(dāng)次迭代中的迭代生長(zhǎng)完成，并且形成的根將會(huì)作為下一次生長(zhǎng)迭代時(shí)該分支的母根；

2.3)迭代的終止：

依次對(duì)根系中的每個(gè)分支按照2.2)進(jìn)行一步生長(zhǎng)完成一次迭代，并重復(fù)，直至材料用量達(dá)到設(shè)定的材料的消耗體積上限V_max，生長(zhǎng)迭代停止；最后生成的布局構(gòu)形如圖4所示，且最終的材料消耗量為17.02％V_Ω。