基于BOBYQA算法的微小通道热沉优化设计

第44卷第6期2018年6月

北京工业大学学报

JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Vol.44 No.6

Jun. 2018

基于B O B Y Q A算法的微小通道热沉优化设计

唐晟，赵耀华，刁彦华，全贞花

(北京工业大学绿色建筑环境与节能技术北京市重点实验室，北京100124)

摘要：为了解决高热流密度电子器件散热问题，基于BOBYQA( bound optimization by quadratic approximation)梯度自由优化算法，并调用CFD软件的数值模拟结果，对微小通道热沉进行了优化设计.目标函数为热沉的总体热阻，约束了栗功消耗.分别讨论了不限制热沉总体髙度以及约束髙度2种条件下的最优解，详细计算了各个几何设计 参数的优化路径.结果表明，窄深的通道更加有利于换热.与此同时，还计算了不同栗功消耗下的最优解，结果表 明，随着栗功的增加，最优的热阻减小，但减小幅度随着栗功的增加而减小.

关键词：BOBYQA优化算法；微小通道热沉；热管理

中图分类号：T M912.9 文献标志码： A 文章编号：0254 -0037(2018)06-0940-08

doi：10.11936/bjutxb2017110038

Optimal Design on Micro/Mini-channel Heat Sink by BOBYQA Algorithm

TANG Sheng，ZHAO Yaohua，DIAO Yanhua，QUAN Zhenhua

(Beijing Key Laboratory of Green Bulit Environment and Energy Efficient Technology，

Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract：In order to solve the problem of heat dissipation for electronic devices with high heat flux，an optimal design of micro/mini-channel heat sink was presented by BOBYQA(bound optimization by quadratic approximation)algorithm combined with CFD software.The objective function was overall thermal resistance，and the constraint condition was pumping power consumption.The optimal results were calculated under unlimited and constrained height of heat sink.The results indicate that narrow and deep channel is more beneficial to heat transfer.Meanwhile，the optimal results under different pumping power were calculated，and the results indicate that the optimal thermal resistance decreases with increased pumping power.While，with continuously increased pumping power，the decrement decreases.

Key words:BOBYQA optimal algorithm;micro/mini-channel heat sinks;thermal managment

微小通道热沉最早是由Tuckerman等[1]针对高 热流密度电子器件散热问题而提出的，该类型热沉 具有散热能力高、尺寸小、流体的需求量小、运行成 本低等特点，目前已经成为微机电系统（micro electro-mechanical system，MEMS)器件的主要散热 方式之一.有大量的学者通过实验和数值的方法研 究了微通道热沉的流动以及换热特性.Harms等[2]分别研究了长度2.5 cm、直径为1923滋m的单个微通道以及长度2.5 cm、68个直径为404滋m的平行 流矩形通道的流动与换热特性.研究发现,实验测 试的N u和f能与经典的关联式较好地吻合.并且，在同一压降水平下，多个通道热沉的热性能总是比 单通道的热沉要好.Peng等[3]实验研究了矩形微 通道扁管的强制对流换热特性，分析了微通道与传 统尺寸通道之间换热特性的差别.其研究显示，不 同于传统尺寸的通道，微通道的转捩点发生在Re=

收稿日期：2017-11-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51778010)

作者简介：唐最（1987—)，男，博士研究生，主要从事微小通道换热方面的研究，E-mail:qitiantangsheng@ 126. com

微通道内流动沸腾不稳定性影响因素实验研究

第29卷第1期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.1 V ol.29 2015 年 2 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Feb. 2015 文章编号：1003-9015(2015)01-0090-06 微通道内流动沸腾不稳定性影响因素实验研究 宗露香1,2, 徐进良1, 刘国华1 (1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 北京 102206； 2. 低品位能源多相流与传热北京市重点实验室, 北京 102206) 摘 要：微通道沸腾不稳定性降低设备运行性能及传热特性。设计入口集成种子汽泡发生器的三角形硅基微通道热沉。 搭建同步光学可视化测量实验台。研究加热膜长度、质量流量及种子汽泡触发频率对微通道内沸腾不稳定性及传热影 响。结果表明：加热膜长度和质量流量作为控制沸腾不稳定性的关键参数，加热膜长度越长或质量流量越低，沸腾起 始点和临界热流密度越早发生。单相液体区域，热流密度增大，压降略微降低，温度线性升高。汽液两相区域，热流 密度增大，压降迅速增大，温度呈指数式上升。触发种子汽泡作为一种主动式控制技术，沸腾不稳定性得到抑制或消 除，换热得到显著增强，是一种值得推广的技术。 关键词：微通道；沸腾不稳定性；沸腾曲线；种子汽泡 中图分类号：Q552.6 文献标识码：A DOI ：10.3969/j.issn.1003-9015.2015.01.013 Experimental Study on the Flow Boiling Instability Governing Parameters in Microchannels ZONG Lu-xiang 1,2, XU Jing-liang 1, LIU Guo-hua 流动沸腾不稳定性广泛存在于微电子冷却器、微热管等微机电系统 (Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS) 器件中，研究微系统沸腾不稳定性对于MEMS 器件设计和运行具有重要科学意义。由于1 (1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Beijing Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer for Low Grade Energy, North China Electric Power University, Beijing 102206, China) Abstract: Flow boiling instabilities in microchannel can reduce the performance of equipment operation and disturb the heat transfer characteristic. The parallel triangle silicon microchannel heat sink was integrated with seed bubble generators in the microchannel upstream. The simultaneous optical visualization measurement experimental systems were set up. The flow boiling instability and heat transfer under different heater lengthes, mass fluxes and seed bubble frequencies were examined. The results show that, the heater length, heat and mass flux were identified as the key parameters to the boiling instability process. Longer heater length or lower flow rate induces earlier appearance of boiling incipience and critical heat flux. With heat flux increasing, the pressure drop decreases slightly and the temperature increases linearly in the single liquid phase region. However, the pressure drop increases sharply and the temperature increases exponentially in the vapor-liquid two phase flow region. Using triggering the generation of seed bubbles as the active controlling technic, the self-sustained boiling instability can be effectively controlled or fundamentally eliminated. Moreover, the heat transfer could be enhanced markedly. The seed bubble triggered technology is worth to be promoted. Key words: microchannel; boiling instability; boiling curve; seed bubble 1 前 言 收稿日期: 2013-04-03；修订日期: 2013-06-25。 基金项目：国家自然科学基金-国际合作交流资助项目(512101064); 国家自然科学基金-广东省联合重点基金资助项目(U1034004)。 作者简介：宗露香(1982-)，女，江苏如皋人，华北电力大学讲师，博士生。通讯联系人：徐进良，E-mail ：xjl@https://www.doczj.com/doc/b11556559.html,

机械优化设计论文(基于MATLAB工具箱的机械优化设计)

基于MATLAB工具箱的机械优化设计 长江大学机械工程学院机械11005班刘刚 摘要：机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计效率和质量。本文系统介绍了机械优化设计的研究内容及常规数学模型建立的方法，同时本文通过应用实例列举出了MATLAB 在工程上的应用。 关键词：机械优化设计；应用实例；MATLAB工具箱；优化目标 优化设计是20世纪60年代随计算机技术发展起来的一门新学科, 是构成和推进现代设计方法产生与发展的重要内容。机械优化设计是综合性和实用性都很强的理论和技术, 为机械设计提供了一种可靠、高效的科学设计方法, 使设计者由被动地分析、校核进入主动设计, 能节约原材料, 降低成本, 缩短设计周期, 提高设计效率和水平, 提升企业竞争力、经济效益与社会效益。国内外相关学者和科研人员对优化设计理论方法及其应用研究十分重视, 并开展了大量工作, 其基本理论和求解手段已逐渐成熟。 国内优化设计起步较晚, 但在众多学者和科研人员的不懈努力下, 机械优化设计发展迅猛, 在理论上和工程应用中都取得了很大进步和丰硕成果, 但与国外先进优化技术相比还存在一定差距, 在实际工程中发挥效益的优化设计方案或设计结果所占比例不大。计算机等辅助设备性能的提高、科技与市场的双重驱动, 使得优化技术在机械设计和制造中的应用得到了长足发展, 遗传算法、神经网络、粒子群法等智能优化方法也在优化设计中得到了成功应用。目前, 优化设计已成为航空航天、汽车制造等很多行业生产过程的一个必须且至关重要的环节。 一、机械优化设计研究内容概述 机械优化设计是一种现代、科学的设计方法, 集思考、绘图、计算、实验于一体, 其结果不仅“可行”, 而且“最优”。该“最优”是相对的, 随着科技的发展以及设计条件的改变, 最优标准也将发生变化。优化设计反映了人们对客观世界认识的深化, 要求人们根据事物的客观规律, 在一定的物质基和技术条件下充分发挥人的主观能动性, 得出最优的设计方案。 优化设计的思想是最优设计, 利用数学手段建立满足设计要求优化模型; 方法是优化方法, 使方案参数沿着方案更好的方向自动调整, 以从众多可行设计方案中选出最优方案; 手段是计算机, 计算机运算速度极快, 能够从大量方案中选出“最优方案“。尽管建模时需作适当简化, 可能使结果不一定完全可行或实际最优, 但其基于客观规律和数据, 又不需要太多费用, 因此具有经验类比或试验手段无可比拟的优点, 如果再辅之以适当经验和试验, 就能得到一个较圆满的优化设计结果。 传统设计也追求最优结果, 通常在调查分析基础上, 根据设计要求和实践

MATLAB实验遗传算法和优化设计

实验六 遗传算法与优化设计 一、实验目的 1. 了解遗传算法的基本原理和基本操作（选择、交叉、变异）； 2. 学习使用Matlab 中的遗传算法工具箱(gatool)来解决优化设计问题； 二、实验原理及遗传算法工具箱介绍 1. 一个优化设计例子 图1所示是用于传输微波信号的微带线(电极)的横截面结构示意图，上下两根黑条分别代表上电极和下电极，一般下电极接地，上电极接输入信号，电极之间是介质(如空气，陶瓷等)。微带电极的结构参数如图所示，W 、t 分别是上电极的宽度和厚度，D 是上下电极间距。当微波信号在微带线中传输时，由于趋肤效应，微带线中的电流集中在电极的表面，会产生较大的欧姆损耗。根据微带传输线理论，高频工作状态下（假定信号频率1GHz ），电极的欧姆损耗可以写成（简单起见，不考虑电极厚度造成电极宽度的增加）： 图1 微带线横截面结构以及场分布示意图 {} 28.6821ln 5020.942ln 20.942S W R W D D D t D W D D W W t D W W D e D D παπππ=+++-+++?????? ? ??? ??????????? ??????? (1) 其中πρμ0=S R 为金属的表面电阻率， ρ为电阻率。可见电极的结构参数影响着电极损耗，通过合理设计这些参数可以使电极的欧姆损耗做到最小，这就是所谓的最优化问题或者称为规划设计问题。此处设计变量有3个：W 、D 、t ，它们组成决策向量[W, D ,t ] T ，待优化函数(,,)W D t α称为目标函数。 上述优化设计问题可以抽象为数学描述： ()()min .. 0,1,2,...,j f X s t g X j p ????≤=? (2)

树形微通道

[4] 王东屏.C F D 数值仿真建模技术的研究及其在高速动车组中的验证[D ].大连:大连理工大学,2006. [5] 龚竹青.理论电化学导论[M ].长沙:中南工业大学出版社,1988.[6] 蔡铎昌.电化学研究方法[M ]. 成都:电子科技大学出版社,2005. [7] H e i n e m e n W R.E l e c t r o a n a l y t i c a lC h e m i s t r y [M ].N e w Y o r k :M a r c e lD e k k e r ,1984. [8] 李荻.电化学原理[M ]. 北京:北京航空航天大学出版社,1989. [9] 徐家文, 云乃彰,王建业,等.电化学加工技术 原理二工艺及应用[M ]. 北京:国防工业出版社,2008.(编辑 苏卫国) 作者简介:王 颖,女,1985年生三南京农业大学工学院博士研究生三主要研究方向为C A D /C AM 在特种加工中的应用三 康 敏,男,1965年生三南京农业大学工学院教授二博士研究生导师三 树形微通道热沉仿生建模及三维热流特性数值分析 徐尚龙 郭宗坤 秦 杰 蔡奇彧 胡广新 王伟杰 电子科技大学,成都,610054 摘要:对几种典型树叶进行参数测量,获得了各级叶脉直径二交角值及直径比例关系,在此基础上建立了树形微通道热沉的C A D 模型,并对不同分形级数的双层微通道系统内的温度和流动特性分布进行了数值分析三结果表明,树形微通道具有更好的均温性,7级分形的树形微通道与6级和8级分形的树形微通道相比,所冷却芯片的温度更低,压降更小,具有更好的冷却效果三 关键词:微通道;压降;传热;流动 中图分类号:T B 131 D O I :10.3969/j .i s s n .1004-132X.2014.09.010T h r e eD i m e n s i o n a lN u m e r i c a l S i m u l a t i o no f F l u i dF l o wa n dH e a t T r a n s f e r i nT r e e ‐s h a p e dM i c r o c h a n n e l s X uS h a n g l o n g G u oZ o n g k u n Q i n J i e C a iQ i y u H uG u a n g x i n W a n g W e i j i e U n i v e r s i t y o fE l e c t r o n i cS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o fC h i n a ,C h e n g d u ,610054A b s t r a c t :T h em i c r o s t r u c t u r e s o f s e v e r a l t y p i c a l l e a v e sw e r em e a s u r e d a n d a n a l y z e d t o g e t t h e d i -a m e t e r ,a n g l e a n dd i a m e t e r r a t i o f o r e a c h l e v e l s o f l e a f v e i n .T h eC A D m o d e l a n ds i m u l a t i o no f h e a t a n d f l o w i n a t w o ‐l a y e r d e n d r i t i cm i c r o c h a n n e l n e t w o r k f o r c h i p s c o o l i n g w e r e c o n d u c t e d .T h e s i m u l a -t i o n r e s u l t s s h o wt h a t t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i sm o r e u n i f o r mi n t h e t r e e ‐l i k em i c r o c h a n n e l t h a n t h a t i n t h e p a r a l e l lm i c r o c h a n n e l .T h e t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e d r o p a r e l o w e r i n t h e t r e e ‐l i k em i c r o -c h a n n e lw i t h7l e v e l b r a n c h e s t h a n t h a tw i t h6a n d 8l e v e l b r a n c h e s . K e y w o r d s :m i c r o c h a n n e l ;p r e s s u r e d r o p ;h e a t t r a n s f e r ;f l o w 0 引言 电子芯片的微小化和集成化给电子芯片的有 效散热带来了巨大挑战,芯片级的热流密度超过 100W /c m 2,风冷技术已无法满足散热要求[1 ],自从T u c k e r m a n 等[2] 开创性地研究微通道散热技 术以来,国内外开展了大量的生物仿生微通道结构的研究 [3‐6 ]三如:文献[3] 研究了树状分形结构在电子芯片冷却中的应用;文献[4‐6]研究了分形微通道的换热性能二压降等特性并与平行微通道进行了比较三将三维仿生微通道热沉用于芯片散热可取得较好的结果,但这方面的研究较少三 收稿日期:2013 01 06 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51176025 )本文通过测量树叶脉分布与参数,结合生物仿生学和现代C A D 技术,进行芯片三维微通道结构仿生设计,进一步分析树形结构中各级分支的散热特性及微管内液流的流动性和传热特性,为开发高效散热的微通道散热器提供理论基础三 1 树叶脉显微实验分析 在光学显微镜下对收集的一定数量的几种树叶进行观察(图1),并对树叶叶脉的尺寸形态进行分析,利用光学显微镜对各种树叶的微结构进行测量,并用相机对观测树叶进行拍照,将测量的数据在统计软件中进行处理,得到几种自然树叶的整个叶脉系统的管径二夹角等规律三光学显微 镜的型号为奥林巴斯b x 51二放大倍率为10倍二图四 5811四

机械优化设计方法论文

浅析机械优化设计方法基本理论 【摘要】在机械优化设计的实践中，机械优化设计是一种非常重要的现代设计方法，能从众多的设计方案中找出最佳方案，从而大大提高设计的效率和质量。每一种优化方法都是针对某一种问题而产生的，都有各自的特点和各自的应用领城。在综合大量文献的基础上，总结机械优化设计的特点，着重分析常用的机械优化设计方法，包括无约束优化设计方法、约束优化设计方法、基因遗传算方法等并提出评判的主 要性能指标。 【关键词】机械；优化设计；方法特点；评价指标 一、机械优化概述 机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学，它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益，在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展，现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[ 优化设计方法的分类优化设计的类别很多，从不同的角度出发，可以做出各种不同的分类。按目标函数的多少，可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数，可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况，可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径，可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达，可分为能用数学模型表达的优化设计问题其寻优途径为数学方法，如数学规划法、最优控制法等。 1.1 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数，在优化过程中，这些参数就是自变量，一旦设计变量全部确定，设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数，设计变量数目越多，设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂，同时效益也越显著，因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。

机械优化设计复习总结.doc

1. 优化设计问题的求解方法:解析解法和数值近似解法。解析解法是指优化对象用数学方程（数学模型）描述，用 数学 解析方法的求解方法。解析法的局限性：数学描述复杂，不便于或不可能用解析方法求解。数值解法：优 化对象无法用数学方程描述，只能通过大量的试验数据或拟合方法构造近似函数式，求其优化解；以数学原理 为指导，通过试验逐步改进得到优化解。数值解法可用于复杂函数的优化解，也可用于没有数学解析表达式的 优化问题。但不能把所有设计参数都完全考虑并表达，只是一个近似的数学描述。数值解法的基本思路：先确 定极小点所在的搜索区间，然后根据区间消去原理不断缩小此区间，从而获得极小点的数值近似解。 2. 优化的数学模型包含的三个基本要素：设计变量、约束条件（等式约束和不等式约束）、目标函数（一般使得目 标 函数达到极小值）。 3. 机械优化设计中，两类设计方法：优化准则法和数学规划法。 优化准则法：x ;+, = c k x k （为一对角矩阵） 数学规划法：X k+x =x k a k d k {a k \d k 分别为适当步长\某一搜索方向一一数学规划法的核心） 4. 机械优化设计问题一般是非线性规划问题，实质上是多元非线性函数的极小化问题。重点知识点：等式约束优 化问 题的极值问题和不等式约束优化问题的极值条件。 5. 对于二元以上的函数，方向导数为某一方向的偏导数。 函数沿某一方向的方向导数等于函数在该点处的梯度与这一方向单位向量的内积。梯度方向是函数值变化最快的方 向（最速上升方向），建议用单位向暈表示，而梯度的模是函数变化率的最大值。 6. 多元函数的泰勒展开。 7. 极值条件是指目标函数取得极小值吋极值点应满足的条件。某点取得极值，在此点函数的一阶导数为零，极值 点的 必要条件：极值点必在驻点处取得。用函数的二阶倒数来检验驻点是否为极值点。二阶倒数大于冬，取得 极小值。二阶导数等于零时，判断开始不为零的导数阶数如果是偶次，则为极值点，奇次则为拐点。二元函数 在某点取得极值的充分条件是在该点岀的海赛矩阵正定。极值点反映函数在某点附近的局部性质。 8. 凸集、凸函数、凸规划。凸规划问题的任何局部最优解也就是全局最优点。凸集是指一个点集或一个区域内， 连接 英中任意两点的线段上的所有元素都包含在该集合内。性质：凸集乘上某实数、两凸集相加、两凸集的交 集仍是凸集。凸函数：连接凸集定义域内任意两点的线段上，函数值总小于或等于用任意两点函数值做线性内 插所得的值。数学表达:/[^+（l-a ）x 2]

例文-微尺度相变传热的研究进展

微尺度相变传热的研究进展 扬衡 (20132346001，新能源应用技术) 摘要：微尺度相变传热的实验和理论分析证实了微尺度结构具有高效传热的特性，并预示了该技术在电子通信、生物医药以及化工等领域为MEMS进行冷却应用上的巨大前景。微尺度相变传热出现了不同于常规尺度的物理现象，原因可以分为两类：一类是连续介质的假定不再适用，一类是各种作用力的相对重要性发生了变化。本文围绕微尺度相变传热的流型、不稳定性和表面性质的影响三个方面，对现有的研究成果进行了综述，并对微尺度相变传热的发展趋势做出了展望。 关键词：微尺度，相变传热，流型，不稳定性，表面性质 1 引言 随着微加工制造技术的迅猛发展，各种结构精细、功能完善的微型电子机械系统(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)被陆续开发出来，并广泛地运用于电子通信、生物医药以及化工等领域[1,2]。在这些工程应用中，MEMS呈现出了高集成度、高功耗和微尺度的特点。然而，快速增加的系统发热已经成为MEMS研发和应用的一项重大挑战。以电子芯片为例，元器件的失效率随着器件温度的上升呈指数规律上升，元器件在70~80 ℃温度水平上每升高1 ℃，其可靠性降低5 %[3]。因此，在对高热流密度的MEMS进行结构设计和功能优化时，如何解决MEMS的散热问题迫在眉睫。 目前，为了能够实现大热流密度的热量传输通常采用微尺度的相变传热技术，诸如微流道热沉、微流体传热和微热交换器等[4-6]。按当量直径的范围，相变传热的通道可划分为大通道(≥3 mm)、细通道(200 μm~3 mm)和微通道(10 μm~200 μm)。近年来，国内外对微尺度相变传热的实验和理论分析工作均证实了微尺度结构具有高热流密度传热的特性，微通道/微热管相变传热的等效传热系数远大于传统材料的传热系数，约为5 000~30 000 W/(m·K)[7]。由于尺度的减小和面体比的增大，微尺度相变传热中各种表面性质(表面粗糙度、浸润性)和表面作用力(表面张力等)的作用更为突出，体积力的作用(重力等)更为削弱。因此，流体在微通道中会产生不同于常规通道的热流体动力学作用，涉及到毛细流动、微通道内的压降、流体的加热和蒸发、单相流/多相流、沸腾和气泡、汽-液两相流的混合机制等(图1)[8]，这些作用极大地影响了

基于遗传算法的微通道热沉优化设计与工质选择

基于遗传算法的微通道热沉优化设计与工质选择微电子制造工业领域日新月异,集成化、大功率的芯片如雨后春笋般涌入电子元件市场。与此同时,芯片的发热量亦与日俱增,传统风冷技术颓势尽显。 为了保持芯片技术更新换代的步伐,液冷散热技术应运而生。液冷热沉集效率高与体积小两大优势于一身,运行稳定,安全可靠。 本文研究了目前微通道散热器领域认可度最高的平行直通道与分形流道两种散热器结构的优化设计方法与流动传热特性,具体工作如下:针对分形微通道热沉的压降进行了详细分析,研究了初级流道分支数量、流道总分支级数、各级流道长度以及分叉角度对分形流道热沉流动特性的影响;然后以上述结构尺寸参数为设计变量,系统总压降为目标函数,使用遗传算法对分形微流道散热器进行了压降优化设计。并使用数值模拟的方法对优化结果进行了验证。 使用数量级较大的对流换热热阻等效替代散热器总热阻,并以之为第一个目标函数;使用简化后的系统压降模型作为第二个目标函数;统一热阻与压降的数量级关系以构建统一目标函数;使用遗传算法进行多目标优化设计。最后通过数值仿真对各权重分配下的优化结果进行了验证。 着重研究了比表面积对各权重组合下优化热沉冷却性能的影响,发现比表面积与热阻呈反相关关系。从而提出优化热沉比表面积同样可以改善热沉冷却性能的思想。 针对型号为Intel Core i7-4790K的四核CPU处理器进行了散热设计。考虑了扩散热阻对总热阻的影响,并将其加入热阻网络模型。 使用遗传算法对散热器总热阻进行了优化设计,并通过仿真模拟验证了热阻网络模型的准确性。最后详细分析了最优热沉模型的流动与传热性能。

通过数值模拟验证了氧化铝与氧化铜两种纳米流体对分形微通道热沉冷却性能的强化作用,并对氧化铝纳米流体的流动特性与传热性能进行了详细研究。

机械优化设计复合形方法及源程序

机械优化设计——复合形方法及源程序 (一) 题目：用复合形法求约束优化问题 ()()()2 22 1645min -+-=x x x f ；0642 22 11≤--=x x g ；01013≤-=x g 的最优解。 基本思路：在可行域中构造一个具有K 个顶点的初始复合形。对该复合形各顶点的目标函数值进行比较，找到目标函数值最大的顶点（即最坏点），然后按一定的法则求出目标函数值有所下降的可行的新点，并用此点代替最坏点，构成新的复合形，复合形的形状每改变一次，就向最优点移动一步，直至逼近最优点。 (二) 复合形法的计算步骤 1）选择复合形的顶点数k ，一般取n k n 21≤≤+，在可行域内构成具有k 个顶点的初始 复合形。 2）计算复合形个顶点的目标函数值，比较其大小，找出最好点x L 、最坏点x H 、及此坏点 x G.. 3）计算除去最坏点x H 以外的（k-1）个顶点的中心x C 。判别x C 是否可行，若x C 为可行点， 则转步骤4）；若x C 为非可行点，则重新确定设计变量的下限和上限值，即令 C L x b x a ==,，然后转步骤1），重新构造初始复合形。 4）按式()H C C R x x x x -+=α计算反射点x Ｒ，必要时改变反射系数α的值，直至反射成 功，即满足式()()()()H R R j x f x f m j x g

微通道换热器的特性分析及应用

苏尚美,张亚男,成方园(山东大学能源与动力工程学院,山东250002) 摘要:本文分析了微通道内流体的流动及换热特性,通过换热器火用效率的分析,发现微通道具有高传热系数,高表面积—体积比,低传热温差,低流动阻力等特点.微通道换热器火用效率高,性能优于常规换热器.本文还讨论了工质的选择,微通道结构的优化及加工方法,分析了微通道换热器的应用前景. 关键词:微通道;流动及换热;火用效率;结构 引言2O 世纪5O 年代末,著名的物理学家Richard Feynman 曾预言微型化是未来科学技术的发展方向.换热器作为化工过程机械的典型产品,是工艺过程中必不可少的单元设备,广泛地应用于石油,化工,动力, 核能,冶金,船舶,交通,制冷,食品及制药等工业部门及国防工程中.其材料及动力消耗占整个工艺设备的30%左右,在化工机械生产中占有重要的地位.如何提高换热器的紧凑度,以达到在单位体积上传递更多的热量,一直是换热器研究和发展应用的目标.器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步,也推动了更加高效,更加小型化的微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生. 1 微通道发展简史 所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元.当前关于微通道换热器的确切定义,比较通行,直观的分类是由Mehendale.s.s 提出的按其水力当量直径的尺寸来划分.通常含有将水力当量直径小于1mm 换热器称为微通道换热器. 早在二十世纪八十年代, 美国学者Tuckerman 和Pease 报道了一种如图 1 所示的微通道(Micro-channel) 换热结构.该结构有高导热系数的材料(如硅)构成,其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内,其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平,成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的"热障"问题. .随后Wu 和Little,Pfahler 等,Choi 等都对通道中的单相流进行了分析和研究.用于两种流体热交换的微通道换热器于1985 年由Swift 研制出来,研究表明,其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十. 美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于9O 年代后期研制成功燃烧/气化一体化的微型装置以及微型热泵等.卡尔斯鲁研究中心( Forschungszentrum Karlsruhe GrabH) 也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件,将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器. 图一微通道的基本结构 2 微通道中流体的流动特性 由于微通道换热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内,使它不仅涉及空间尺度的微小化,还涉及更为复杂的尺度效应. 2.1 微尺度效应 对于气体单相流动,当通道直径当小于200 时,即努森数≥0.001 时(其中为分子的平均自由程, 为水力当量直径) ,流动和传热将受到气体的稀薄效应的影响. 对于液体单相流动,当微通道直径为381 时,宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔数已经不能按传统宏观理论公式来计算.以矩形截面通道为例,微通道换热器的最高达到了9.20,而传统宏观矩形通道的努塞尔数最高为8.23, 说明微通道换热已具有微尺度效应(表面效应) . 对于两相流,微尺度通道内界面现象表面张力的影响显著,导致流型分布及转换准则发生变化.由于表面张力的影响,流动中不存在非球形泡沫.表面张力对微流动的影响一般表现在两相微流动的初始阶段,随着混合程度的增加以及同壁面的接触角的增加,其影响程度在逐步减

机械优化设计方法基本理论

机械优化设计方法基本理论 一、机械优化概述 机械优化设计是适应生产现代化要求发展起来的一门科学，它包括机械优化设计、机械零部件优化设计、机械结构参数和形状的优化设计等诸多内容。该领域的研究和应用进展非常迅速，并且取得了可观的经济效益，在科技发达国家已将优化设计列为科技人员的基本职业训练项目。随着科技的发展，现代化机械优化设计方法主要以数学规划为核心，以计算机为工具，向着多变量、多目标、高效率、高精度方向发展。]1[ 优化设计方法的分类优化设计的类别很多，从不同的角度出发，可以做出各种不同的分类。按目标函数的多少，可分为单目标优化设计方法和多目标优化设计方法按维数，可分为一维优化设计方法和多维优化设计方法按约束情况，可分为无约束优化设计方法和约束优化设计方法按寻优途径，可分为数值法、解析法、图解法、实验法和情况研究法按优化设计问题能否用数学模型表达，可分为能用数学模型表达的优化设计问题其寻优途径为数学方法，如数学规划法、最优控制法等 1.1 设计变量 设计变量是指在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数，在优化过程中，这些参数就是自变量，一旦设计变量全部确定，设计方案也就完全确定了。设计变量的数目确定优化设计的维数，设计变量数目越多，设计空间的维数越大。优化设计工作越复杂，同时效益也越显著，因此在选择设计变量时。必须兼顾优化效果的显著性和优化过程的复杂性。 1.2 约束条件 约束条件是设计变量间或设计变量本身应该遵循的限制条件，按表达方式可分为等式约束和不等式约束。按性质分为性能约束和边界约束，按作用可分为起作用约束和不起作用约束。针对优化设计设计数学模型要素的不同情况，可将优化设计方法分类如下。约束条件的形式有显约束和隐约束两种，前者是对某个或某组设计变量的直接限制，后者则是对某个或某组变量的间接限制。等式约束对设计变量的约束严格，起着降低设计变量自由度的作用。优化设计的过程就是在设计变量的允许范围内，找出一组优化的设计变量值，使得目标函数达到最优值。

TSP问题的遗传算法求解 优化设计小论文

TSP问题的遗传算法求解 摘要：遗传算法是模拟生物进化过程的一种新的全局优化搜索算法，本文简单介绍了遗传算法，并应用标准遗传算法对旅行包问题进行求解。 关键词：遗传算法、旅行包问题 一、旅行包问题描述： 旅行商问题，即TSP问题（Traveling Saleman Problem）是数学领域的一个著名问题，也称作货郎担问题，简单描述为：一个旅行商需要拜访n个城市（1，2，…，n），他必须选择所走的路径，每个城市只能拜访一次，最后回到原来出发的城市，使得所走的路径最短。其最早的描述是1759年欧拉研究的骑士周游问题，对于国际象棋棋盘中的64个方格，走访64个方格一次且最终返回起始点。 用图论解释为有一个图G=（V,E），其中V是顶点集，E是边集，设D=（d ij）是有顶点i和顶点j之间的距离所组成的距离矩阵，旅行商问题就是求出一条通过所有顶点且每个顶点只能通过一次的具有最短距离的回路。若对于城市V={v1，v2，v3，...，vn}的一个访问顺序为T=(t1，t2，t3，…，ti，…，tn)，其中ti∈V(i=1，2，3，…，n)，且记tn+1= t1，则旅行商问题的数学模型为：min L=Σd(t(i),t(i+1)) （i=1，…，n） 旅行商问题是一个典型组合优化的问题，是一个NP难问题，其可能的路径数为（n-1）！，随着城市数目的增加，路径数急剧增加，对与小规模的旅行商问题，可以采取穷举法得到最优路径，但对于大型旅行商问题，则很难采用穷举法进行计算。 在生活中TSP有着广泛的应用，在交通方面，如何规划合理高效的道路交通，以减少拥堵；在物流方面，更好的规划物流，减少运营成本；在互联网中，如何设置节点，更好的让信息流动。许多实际工程问题属于大规模TSP，Korte于1988年提出的VLSI芯片加工问题可以对应于1.2e6的城市TSP，Bland于1989年提出X-ray衍射问题对应于14000城市TSP，Litke于1984年提出电路板设计中钻孔问题对应于17000城市TSP，以及Grotschel1991年提出的对应于442城市TSP的PCB442问题。

基于遗传算法的齿轮减速器优化设计

煤矿机械Coal Mine Machinery Vol.30No.12 Dec.2009 第30卷第12期2009年12月 0引言 工程机械中所用电动机的转速较高，为了满足工作机低转速的需要，一般在电动机和工作机之间安装减速器，用来降低电机的转速或增大转矩，减速器是一种机械传动装置，广泛地应用于运输机械、矿山机械和建筑机械等重型机械中。因此，减速器的设计非常重要。 遗传算法（GA）是模拟生物在自然界中优胜劣汰的自然进化过程而形成的一种具有全局范围内优化的启发式搜索算法。这种方法已在很多学科得到广泛的应用，为减速器的优化设计提供有力的保证。因此，本文采用遗传算法对两级齿轮减速器进行优化设计，并通过与惩罚函数法和模拟退火算法等优化方法计算结果进行比较，来探讨适合于减速器的优化设计方法。 1建立数学模型 两级齿轮传动减速器结构如图1所示。该减速器的总中心距 a∑＝［m n1z1（1＋i1）+m n2z3（1＋i2）］/2cosβ（1）式中m n1、m n2—— —高速级与低速级的齿轮法面模 数； i1、i2—— —高速级与低速级传动比； z1、z3—— —高速级与低速级的小齿轮齿数： β—— —2组齿轮组的螺旋角。 1.1设计变量的确定 在进行两级齿轮传动减速器设计时，一般选择齿轮传动独立的基本参数或性能参数，如齿轮的齿数、模数、传动比、螺旋角等为设计变量。两级齿轮传动由4个齿轮组成，分别用z1、z2、z3、z4表示，高速级的传动比由i1表示，低速级传动比由i2表示，两组齿轮组的法面模数分别由m n1和m n2表示，2组齿轮的螺旋角用β表示，由于两级齿轮传动减速器的总传动比i0，在设计时会给出具体数据，并且满足i0＝i1i2，可以得出i2＝i0/i1，可以确定独立的参数有z1、z3、m n1、m n2、i1和β。因此，可以确定该设计变量X＝［z1，z3，m n1，m n2，i1，β］T=［x1，x2，x3，x4，x5，x6］T。 图1减速器结构简图 1.2目标函数的建立 在对减速器进行优化设计时，首先要确定目标函数。确定目标函数的原则是在满足各种性能要求的前提下，使减速器的体积最小，这样设计的减速器既经济又实用，从而达到了优化的目的。要使减速器的体积最小，必须使减速器的总中心距最小。因此，以减速器的中心距最小建立目标函数为 a∑＝［x3x1（1＋x5）+x4x2(1+i0/x5)］ 6 （2）1.3约束条件的确定 为使两级齿轮传动减速器满足强度、设计变量 基于遗传算法的齿轮减速器优化设计* 吴婷，张礼兵，黄磊 （安徽建筑工业学院机电学院，合肥230601） 摘要：对两级齿轮减速器优化设计进行了分析，建立了其优化设计的数学模型，确定了优化设计的约束条件，采用遗传算法对两级齿轮减速器进行优化设计，并通过实例说明，采用遗传算法对减速器进行优化，可以得到更加优化的设计结果。 关键词：减速器；遗传算法；优化设计 中图分类号：TH132文献标志码：A文章编号：1003－0794（2009）12－0009－03 Gear Reducer Optimal Design Based on Genetic Algorithm WU Ting，ZHANG Li-bing，HUANG Lei （School of Mechanical and Electrical Engineering,Anhui University of Architecture,Hefei230601,China）Abstract:T he optimal design of a gear reducer was analyzed,the mathematic model was established, and the restriction condition was confirmed.Design of the gear reducer was optimized with genetic algorithm and the examples showed that design of the gear reducer based on genetic algorithm can gain more optimized result. Key words:reducer；genetic algorithm；optimal design *安徽省教育厅自然基金项目（2006KJ015C） 轴1轴2轴3 z1z2 z3z4 9

机械优化设计习题及答案

机械优化设计习题及参考答案 1-1.简述优化设计问题数学模型的表达形式。 答：优化问题的数学模型是实际优化设计问题的数学抽象。在明确设计变量、约束条件、目标函数之后，优化设计问题就可以表示成一般数学形式。求设计变量向量[]12T n x x x x =L 使 ()min f x → 且满足约束条件 ()0 (1,2,)k h x k l ==L ()0 (1,2,)j g x j m ≤=L 2-1.何谓函数的梯度？梯度对优化设计有何意义？ 答：二元函数f(x 1,x 2)在x 0点处的方向导数的表达式可以改写成下面的形式：??? ?????????????=??+??= ??2cos 1cos 212cos 21cos 1θθθθxo x f x f xo x f xo x f xo d f ρ 令xo T x f x f x f x f x f ?? ????????=????=?21]21[)0(， 则称它为函数f （x 1，x 2）在x 0点处的梯度。 （1）梯度方向是函数值变化最快方向，梯度模是函数变化率的最大值。 （2）梯度与切线方向d 垂直，从而推得梯度方向为等值面的法线方向。梯度)0(x f ?方向为函数变化率最大方向，也就是最速上升方向。负梯度-)0(x f ?方向为函数变化率最小方向，即最速下降方向。 2-2.求二元函数f （x 1，x 2）=2x 12+x 22-2x 1+x 2在T x ]0,0[0=处函数变化率最 大的方向和数值。 解：由于函数变化率最大的方向就是梯度的方向，这里用单位向量p 表示，函数变化率最大和数值时梯度的模)0(x f ?。求f （x1，x2）在

微通道换热器的特性分析及应用

微通道换热器的特性分析及应用 苏尚美，张亚男，成方园 （山东大学能源与动力工程学院，山东 250002） 摘要：本文分析了微通道内流体的流动及换热特性，通过换热器火用效率的分析，发现微通道具有高传热系数、高表面积—体积比、低传热温差、低流动阻力等特点。微通道换热器火用效率高，性能优于常规换热器。本文还讨论了工质的选择、微通道结构的优化及加工方法，分析了微通道换热器的应用前景。 关键词：微通道；流动及换热；火用效率；结构 引言 2O世纪5O年代末，著名的物理学家Richard Feynman曾预言微型化是未来科学技术的发展方向。换热器作为化工过程机械的典型产品，是工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、核能、冶金、船舶、交通、制冷、食品及制药等工业部门及国防工程中。其材料及动力消耗占整个工艺设备的30％左右，在化工机械生产中占有重要的地位。如何提高换热器的紧凑度，以达到在单位体积上传递更多的热量，一直是换热器研究和发展应用的目标。器件装置微型化(Miniaturization)的强大发展趋势推动了微电子技术的迅猛发展和MEMS(micro—electro—mechanical system)技术的不断进步，也推动了更加高效、更加小型化的微通道换热器(micro-channel heat exchanger)的诞生。 1 微通道发展简史 所谓微通道换热器是一种借助特殊微加工技术以固体基质制造的可用于进行热传递的三维结构单元。当前关于微通道换热器的确切定义，比较通行、直观的分类是由Mehendale.s.s提出的按其水力当量直径的尺寸来划分。通常含有将水力当量直径小于1mm换热器称为微通道换热器。 早在二十世纪八十年代，美国学者Tuckerman和Pease报道了一种如图1所示的微通道（Micro-channel）换热结构。该结构有高导热系数的材料（如硅）构成，其换热过程为在底面加上的热量经过通道壁传至通道内，其换热性能得到超过传统换热手段所能达到的水平，成功地解决了集成电路大规模和超大规模化所带来的“热障”问题。。随后Wu和Little、Pfahler等、Choi等都对通道中的单相流进行了分析和研究。用于两种流体热交换的微通道换热器于1985年由Swift研制出来，研究表明，其微通道换热器的单位体积换热量可高达几十。美国太平洋西北国家研究所(Pacific North—west National Lab)于9O年代后期研制成功燃烧／气化一体化的微型装置以及微型热泵等。卡尔斯鲁研究中心( Forschungszentrum Karlsruhe GrabH)也在利用经过成型工具超精细车削加工的器件，将其彼此连接形成错流和逆流的微换热器。 图一微通道的基本结构 2 微通道中流体的流动特性 由于微通道换热器特征尺度在微米到亚毫米尺度范围内，使它不仅涉及空间尺度的微小化，还涉及更为复杂的尺度效应。 2.1微尺度效应 对于气体单相流动，当通道直径当小于200 时，即努森数≥0.001时（其中为分子的平均自由程，为水力当量直径），流动和传热将受到气体的稀薄效应的影响。 对于液体单相流动，当微通道直径为381 时，宏观理论公式已不适用于微通道摩阻及努塞尔数已经不能按传统宏观理论公式来计算。以矩形截面通道为例，微通道换热器的最高达到了9.20，而传统宏观矩形通道的努塞尔数最高为8.23, 说明微通道换热已具有微尺度效应（表面效应）。 对于两相流，微尺度通道内界面现象表面张力的影响显著，导致流型分布及转换准则发生变化。由于表面张力的影响，流动中不存在非球形泡沫。表面张力对微流动的影响一般表现在两相微流动的初始阶段，随