本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種基于流線的冷卻板內(nèi)部流道的設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

使用冷板進(jìn)行冷卻，不僅能迅速地帶走設(shè)備產(chǎn)生的熱量，且具有很高的可靠性、穩(wěn)定性，使其成為一種優(yōu)選的散熱裝置。

在工作過程中，其內(nèi)部流道會對冷卻劑的運(yùn)動產(chǎn)生流阻，若該流阻過大，將會顯著增加泵功率的消耗，因此在設(shè)計過程中，通常需要比較多種設(shè)計方案，以從中篩選出流阻最小的設(shè)計方案作為目標(biāo)方案，例如，(1)：根據(jù)設(shè)計工況，要求設(shè)計出道進(jìn)口01、流道出口02及流道分布區(qū)域03的分布結(jié)構(gòu)滿足如圖1所示的冷卻板，當(dāng)前設(shè)計方案中較為優(yōu)選的流道分布方案04如圖2所示，其中，流道分布區(qū)域03是指在設(shè)計工況中所容許的流道分布區(qū)域范圍；(2)：根據(jù)設(shè)計工況，要求設(shè)計出流道進(jìn)口05、流道出口06及流道分布區(qū)域07的分布結(jié)構(gòu)滿足如圖3所示的冷卻板，當(dāng)前設(shè)計方案中較為優(yōu)選的流道分布方案08如圖4所示；但是，由于冷卻板應(yīng)用范圍廣泛，根據(jù)不同的使用環(huán)境，有不同的散熱及阻力需求。在以往設(shè)計過程中，大多以滿足散熱需求為前提，僅對阻力提出了一個大概的限制，這種設(shè)計方法很大程度上依賴于設(shè)計人員的工作經(jīng)驗(yàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于流線的冷卻板內(nèi)部流道的設(shè)計方法，以在設(shè)計出流阻較小的流道分布方案的同時，降低對設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)要求。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的冷卻板內(nèi)部流道的設(shè)計方法包括獲取步驟與構(gòu)建步驟；其中，獲取步驟包括獲取具有確定流道進(jìn)口與流道出口的流道分布區(qū)域內(nèi)的流場分布；構(gòu)建步驟包括按照設(shè)計流道的數(shù)量及分布，以流場分布中的流線為基準(zhǔn)構(gòu)建冷卻板內(nèi)部流道。

通過獲取冷卻劑在流道分布區(qū)域內(nèi)的流場分布情況，并以獲取的流線為基準(zhǔn)設(shè)計流道，即，循著流線的走勢設(shè)計出流道的路徑，從而以流線式流道替代傳統(tǒng)的多直拐角流道，可有效地降低流道對冷卻劑產(chǎn)生的流阻。

具體的方案為獲取步驟包括建模步驟與計算步驟；建模步驟包括構(gòu)建具有流道進(jìn)口、流道分布區(qū)域及流道出口的結(jié)構(gòu)模型，確定流道進(jìn)口與流道出口處的邊界條件；計算步驟包括基于邊界條件，對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計算，獲取流道分布區(qū)域內(nèi)的流場分布。

通過對冷卻劑在流道分布區(qū)域內(nèi)的流場分布情況進(jìn)行數(shù)值仿真，可有效地減少設(shè)計過程中的人力、物力的消耗，以降低設(shè)計成本、縮短設(shè)計周期及提高設(shè)計的靈活性。

更具體的方案為對結(jié)構(gòu)模型以三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

另一個更具體的方案為以流道進(jìn)口處的冷卻劑流速、流道出口為自由流、無滑移固體壁面及冷卻劑的物性參數(shù)為邊界條件。更貼近實(shí)際設(shè)計工況。

優(yōu)選的方案為以流場分布中的流線為基準(zhǔn)構(gòu)建冷卻板內(nèi)部流道的步驟包括：(1)從流場分布中提取對應(yīng)數(shù)目的流線作為流道的中心線；(2)依據(jù)獲取的中心線，構(gòu)建冷卻板內(nèi)部流道。通過提取流線作為流道的中心線，有效簡化選取基準(zhǔn)并構(gòu)建流道的工序。

更優(yōu)選的方案為從流場分布中提取對應(yīng)數(shù)目的流線的步驟為：根據(jù)設(shè)計流道的數(shù)量及分布，從流場分布中提取所選流線上若干選取點(diǎn)的坐標(biāo)。有效地減少獲取流線所需人力、物力。

再優(yōu)選的方案為選取點(diǎn)沿流線的分布密度隨流線曲率的增大而增加。使選取流線更逼近真實(shí)流線。

另一個再優(yōu)選的方案為基于流線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，利用樣條曲線擬合方式擬合出中心線；按照設(shè)計寬度，向兩側(cè)偏移所述中心線，獲取冷卻板內(nèi)部流道的邊界。有效地簡化設(shè)計過程的構(gòu)建流道步驟。

另一個優(yōu)選的方案為設(shè)計流道的分布為等距分布，并等距地從流場分布中提取對應(yīng)數(shù)目的流線。進(jìn)一步簡化設(shè)計過程中的構(gòu)建步驟。

與現(xiàn)有技術(shù)中的設(shè)計方法相比，本設(shè)計方案不僅能設(shè)計流阻較小的冷卻板內(nèi)部流道分布方案，而且能降低對設(shè)計人員設(shè)計經(jīng)驗(yàn)的要求。

附圖說明

圖1是一種現(xiàn)有設(shè)計工況中流道進(jìn)口、流道出口及流道分布區(qū)域的分布結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是一種針對圖1所示設(shè)計工況下較為優(yōu)選的流道分布方案；

圖3是另一種現(xiàn)有設(shè)計工況中流道進(jìn)口、流道出口及流道分布區(qū)域的分布結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是一種針對圖3所示設(shè)計工況下較為優(yōu)選的流道分布方案；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的工作流程圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例中針對圖1所示設(shè)計工況計算出的流線分布示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例中依據(jù)圖6所示流線構(gòu)建出的流道分布方案；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例中依據(jù)圖3所示設(shè)計工況構(gòu)建出的流道分布方案。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例

參見圖5，本發(fā)明基于流線的冷卻板內(nèi)部流道的設(shè)計方法包括建模步驟s11、計算步驟s12、選取步驟s21及生成步驟s22。

建模步驟s11，構(gòu)建具有流道進(jìn)口、流道分布區(qū)域及流道出口的二維結(jié)構(gòu)模型，確定流道進(jìn)口與所述流道出口處的邊界條件。

(1)如圖1所示，采用autocad軟件構(gòu)建出具有流道進(jìn)口01、流道分布區(qū)域02及流道出口03的二維結(jié)構(gòu)模型，即不考慮冷卻板的厚度維度，具體尺寸為，l＝330毫米、h＝30毫米、b＝100毫米、a＝10毫米，流道進(jìn)口01與流道出口03的尺寸相同。

(2)采用cfd前處理軟件icem軟件對整個二維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用最大網(wǎng)格尺寸為2毫米的三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

(3)以流道進(jìn)口處的冷卻劑流速、流道出口為自由流(outflow)、無滑移固體壁面及流道進(jìn)口處冷卻劑的物性參數(shù)為邊界條件，在本實(shí)施例中，流道進(jìn)口處的冷卻劑流速為0.1米每秒，將冷卻劑的物理參數(shù)設(shè)置為water-liquid。

計算步驟s12，基于邊界條件，采用湍流模型對二維結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計算，獲取流道分布區(qū)域內(nèi)的流場分布。

(1)應(yīng)用cfd流場分析軟件fluent軟件對流道分布區(qū)域內(nèi)液體單相流運(yùn)動進(jìn)行模擬，即對冷卻劑流動情況進(jìn)行模擬。

(2)運(yùn)行2d解算器，選用湍流模型(viscousmodel)中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，不設(shè)置重力，計算方法采用simplec算法，采用先二階后一階迎風(fēng)格式。獲取如圖6所示該冷卻板內(nèi)部流線的分布情況，其具有多條流線1。

選取步驟s21，按照設(shè)計流道數(shù)量，等距地從流場分布中提取對應(yīng)數(shù)目的流線。

基于數(shù)值計算的結(jié)果，輸出流道分布區(qū)域內(nèi)的流線分布圖，將該流線分布圖導(dǎo)入取點(diǎn)軟件getdate中，并根據(jù)需要設(shè)計的內(nèi)部流道數(shù)量，按等間距的方式提取出所選流線的各點(diǎn)坐標(biāo)值。

生成步驟s22，以提取的流線為中心線，構(gòu)建冷卻板內(nèi)部流道。

(1)基于選取步驟s3得到流線上各點(diǎn)的坐標(biāo)，在軟件autocad中使用“樣條曲線”的命令擬合出各流線。

(2)在軟件autocad中，以獲得流線為中心線，使用“偏移”命令，按所需流道寬度向兩邊偏移形成最終的流線型流道。如圖7所示為獲取的針對圖1所示設(shè)計工況下的流道分布方案，共有五條流線型流道2，如圖8所示為獲取針對圖3所示設(shè)計工況下的流道分布方案，共有五條流線型流道3。

以進(jìn)出口的壓力降低表征流道內(nèi)流體受到的流阻大小，對圖2及圖7所示流道方案的流阻進(jìn)行仿真，在相同熱量加載(本實(shí)施例選為120000w/m²)下的仿真結(jié)果為：

(1)圖7所示流道分布方案的進(jìn)出口壓力降為6.271pa；

(2)圖2所示流道分布方案的進(jìn)出口壓力降為14.272pa。

從中可以看出，前者比后者減少了56％，即，本發(fā)明設(shè)計方法設(shè)計出的流道分布方案可在換熱量一定的時候，能明顯降低流道的內(nèi)部流阻。

在本實(shí)施例中，構(gòu)建出的冷卻板內(nèi)部流道的分布方案為其在平行于冷卻板板面方向上的二維截面結(jié)構(gòu)，具體深度根據(jù)實(shí)際流量需要進(jìn)行設(shè)計，上述“流道分布區(qū)域”為根據(jù)設(shè)計工況要求所容許的流道分布區(qū)域范圍。

在上述實(shí)施例中，建模步驟s11與計算步驟s12一起構(gòu)成本發(fā)明的獲取步驟s1，即獲取具有確定流道進(jìn)口與流道出口的流道分布區(qū)域內(nèi)的流場分布。當(dāng)然了，獲取流道分布區(qū)域內(nèi)的流場分布的方法并不局限于上述實(shí)施例中的數(shù)值仿真，還可采用實(shí)驗(yàn)方法獲取，比如：通過預(yù)先設(shè)計透明形式的冷卻板，應(yīng)用piv等流場可視化測量手段，獲取內(nèi)部流場特征，構(gòu)建出流線/跡線形態(tài)。

在計算步驟s12，優(yōu)選為采用現(xiàn)有商業(yè)軟件進(jìn)行仿真計算，當(dāng)然也可采用自行編程方式進(jìn)行計算得到。

選取步驟s21與生成步驟s22一起構(gòu)成本發(fā)明的構(gòu)建步驟s2，即按照設(shè)計流道的數(shù)量及分布，以流場分布中的流線為基準(zhǔn)構(gòu)建所述冷卻板內(nèi)部流道。以流線為基準(zhǔn)并不局限于上述實(shí)施例中的中心線，還可以直接應(yīng)用兩條臨近的流線，以流線之間的區(qū)域構(gòu)建流道；，選取作為中心線的流線也并不局限上述實(shí)施例中的一根，還可以選取若干根流線，通過對它們坐標(biāo)求平均值而擬合出作為中心線的擬合流線；構(gòu)建流道時，流道并不僅局限于上述實(shí)施例中的等距分布，還可以采用流速加權(quán)的方式，在流線分布密度高的地方，設(shè)計流道密度大一些(此時，流道寬度可選為一樣)，也可以在流線密的地方，設(shè)計流道的寬度大一些(此時，流道間距可選為相同)。