基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，解决了微电子产品超高速运算导致发热量激增影响运行，造成产品更新受限的弊端，其技术方案要点是基于矩形截面形状微通道流动阻力和平均对流换热系数理论表达式，通过热阻网络模型分别建立在等截面面积/等截面周长约束下的热阻和压降的理论模型；以微通道总热阻和总压降为两个优化目标，使用遗传算法对微通道尺寸结构进行多目标优化设计；通过comsol进行仿真验证；得到微通道热沉传热传质性能最佳尺寸结构，本发明专利技术的基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，能够便捷优化微通道散热系数的形状和尺寸参数，提供传热传质性能的最优结构参数。

【技术实现步骤摘要】
基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法
本专利技术涉及微通道传输领域，特别涉及基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法。
技术介绍
随着当今微电子及芯片制造技术的迅猛发展，微电子产品日渐有集成化、小型化、大功率化的发展趋势，微通道散热技术所具有的小体积、低热阻、高散热效率、低流量等几个方面的优点，使得微通道散热技术在各个领域的应用越来越广泛。同时趋于超高运算速度的运行模式，这使得微电子器件发热量激增，进而降低其运行的可靠性与寿命，并成为微电子产品更新的瓶颈，设计具有良好的传热传质性能的微通道散热器已是当务之急。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，能够便捷优化微通道散热系数的形状和尺寸参数，提供传热传质性能的最优结构参数。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，包括有以下步骤：基于矩形截面形状微通道流动阻力和平均对流换热系数理论表达式，通过热阻网络模型分别建立矩形截面微通道热沉在等截面面积/等截面周长约束下的热阻和压降的理论模型；以微通道总热阻和总压降为两个优化目标，使用遗传算法对微通道尺寸结构进行多目标优化设计；通过comsol进行仿真验证；得到微通道热沉传热传质性能最佳尺寸结构。作为优选，微通道尺寸结构包括有微通道流道数量N、微通道宽度Wc、微通道热沉翅片宽度Wb、微通道高度Hc。作为优选，使用遗传算法对微通道尺寸结构进行多目标优化设计具体为：根据微通道热沉总热阻和微通道热沉总压降两个优化目标，等截面面积下约束条件为取微通道流道数量N，微通道宽度Wc，微通道热沉翅片宽度Wb，微通道高度Hc作为设计变量，分别记为x1，x2，x3，x4，写成矢量形式X＝[x1，x2，x3，x4]；取微通道热沉总热阻和总压降为优化设计的两个目标函数，分别记为f1(x)和f2(x)；等截面面积多目标优化模型为：通过加权转换法分别将总热沉和总压降的两个目标函数均转换为无量纲化的中间目标函数，通过线性加权法将两个中间目标函数组成全新目标函数：式中为微通道热沉总热阻的权重系数，为微通道热沉总压降的权重系数，并且f1max和f1min分别是目标函数f1的最大值和最小值，f2max和f2min分别是目标函数f2的最大值和最小值；通过混合杂交选择的遗传算法进行多目标优化，在等截面面积约束条件下求解获得最优解尺寸结构。作为优选，总压降的理论模型具体为：矩形截面形状微通道的流动阻力RH的理论公式为平均对流换热系数h的理论表达式为：其中，Hc是矩形微通道的通道高，Wc是矩形截面微通道的通道宽，L是通道长度，μ为微通道内工质的粘度系数，kf是微通道工质的导热系数；获得矩形截面形状微通道的总压降：其中，N是微通道热沉通道总数量。作为优选，热阻的理论模型具体为：微通道热沉计算单元总热阻为：Rtotal＝Rbase+Rfluid+[RbaseconvΠ(Rwall+(RwallconvΠ(Rwall+Rbaseconv))微通道总热阻Rtotal的各个组成部分Rbase，Rfluid，Rbaseconv，Rwall，Rwallconv计算如下：其中，ks为铝制材料的热导率，(W/m·k)；为微通道质量流率，(kg/s)；cρ表示水的比热容，(J/(kg·℃))；h为对流换热系数；微通道热沉总热阻为：综上所述，本专利技术具有以下有益效果：通过理论模型及遗传算法的多目标优化设计，能得到微通道热沉传感传质性质最佳尺寸形状，实现微通道散热系统的形状和尺寸参数的优化，提高相关器件的性能稳定和寿命。附图说明图1为本方法的流程示意框图；图2为矩形微通道热沉结构示意图；图3为微通道热沉计算区域热阻网络模型；图4为遗传算法流程示意图；图5为等截面面积约束下加权系数对微通道结构尺寸影响图；图6为等截面面积限制条件不同权重组合下微通道散热器的压降和热阻图；图7为各组权重系数组合下热阻理论和热阻仿真值对比图；图8为各组权重系数组合下压降理论和压降仿真值对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。微通道散热技术所具有的小体积、低热阻、高散热效率、低流量等几个方面的优点，使得微通道散热技术在各个领域的应用越来越广泛。由于微通道尺寸会对微通道热沉的传热传质性能有较大影响，为了在不改变散热器材料和微通道冷却液工质的前提下提高微通道的传热传质性能，因此，需要对微通道尺寸结构包括微通道通道个数N，微通道通道宽Wc，微通道通道高Hc等进行优化设计。当前微通道热沉的优化设计鲜有涉及等通道截面面积和等通道截面周长约束。目前针对微通道热沉常用的优化设计方法有遗传算法、盒子算法、简化共轭梯度算法、直接搜索算法等等、遗传算法相比于其他算法，主要优点有：(1)遗传算法具有群体搜索的特性；(2)遗传算法基于概率规则，而不是基于确定性规则，这使得搜索较为灵活；(3)遗传算法直接以目标函数之作为搜索信息，而不用设计微分与求导过程。根据一个或多个实施例，公开了一种基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，如图1所示，包括有以下步骤：基于矩形截面形状微通道流动阻力和平均对流换热系数理论表达式，通过热阻网络模型分别建立矩形截面微通道热沉在等截面面积/等截面周长约束下的热阻和压降的理论模型；以微通道总热阻和总压降为两个优化目标，使用遗传算法对微通道尺寸结构进行多目标优化设计；通过comsol进行仿真验证；得到微通道热沉传热传质性能最佳尺寸结构。对所使用的遗传算法使用直接比较法对约束进行处理，大多数优化问题最后得到的约束条件都会带有非线性等式约束或者非线性不等式约束。这种问题可以用以下数学模型进行描述：其中，x＝(x1，x2，...，xn)是n维向量。定义违约函数：将所有等式约束都转化不等式约束来处理：gI+j(x)＝ε-|hj(x)|＞＞0；j＝1，2，...J式中：ε为给定的正数小量。每一代每一个个体的违约程度都用G(x)来衡量。两个个体按照如下准则进行比较，判断其优劣：分别计算两个需要比较的个体的违约值，如果不相等，则基因优势的个体就是违约函数较小的个体，进入保存其基因进入下一代；如果计算出两个违约值恰好相等，则计算两个个体的函数值，基因优势的个体就是函数较小的个体。矩形微通道热沉结构如图2所示，微通道热沉的通道数为N，微通道热沉总长为L＝6mm，基底厚度Hb固定为0.1mm，总宽度固定为W＝6mm。微通道热沉通道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，其特征是，包括有以下步骤：/n基于矩形截面形状微通道流动阻力和平均对流换热系数理论表达式，通过热阻网络模型分别建立矩形截面微通道热沉在等截面面积/等截面周长约束下的热阻和压降的理论模型；/n以微通道总热阻和总压降为两个优化目标，使用遗传算法对微通道尺寸结构进行多目标优化设计；/n通过comsol进行仿真验证；/n得到微通道热沉传热传质性能最佳尺寸结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，其特征是，包括有以下步骤：
基于矩形截面形状微通道流动阻力和平均对流换热系数理论表达式，通过热阻网络模型分别建立矩形截面微通道热沉在等截面面积/等截面周长约束下的热阻和压降的理论模型；
以微通道总热阻和总压降为两个优化目标，使用遗传算法对微通道尺寸结构进行多目标优化设计；
通过comsol进行仿真验证；
得到微通道热沉传热传质性能最佳尺寸结构。


2.根据权利要求…所述的基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，其特征是：微通道尺寸结构包括有微通道流道数量N、微通道宽度Wc、微通道热沉翅片宽度Wb、微通道高度Hc。


3.根据权利要求1所述的基于遗传算法的矩形截面形状微通道热沉的优化设计方法，其特征是：使用遗传算法对微通道尺寸结构进行多目标优化设计具体为：
根据微通道热沉总热阻和微通道热沉总压降两个优化目标，等截面面积下约束条件为



取微通道流道数量N，微通道宽度Wc，微通道热沉翅片宽度Wb，微通道高度Hc作为设计变量，分别记为x1，x2，x3，x4，写成矢量形式X＝[x1，x2，x3，x4]；
取微通道热沉总热阻和总压降为优化设计的两个目标函数，分别记为f1(x)和f2(x)；
等截面面积多目标优化模型为：



通过加权转换法分别将总热沉和总压降的两个目标函数均转换为无量纲化的中间目标函数，通过线性加权法将两个中间目标函数组成全新目标函数：



式中为微通道热沉总热阻的权重系数，为微通道热沉总压降的权重系数，并且f1...

【专利技术属性】
技术研发人员：景大雷，占学宽，何磊，宋健，易善凯，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31