2022年專業(yè)英語中文翻譯老師修改

1、翻譯：基于遺傳算法的多層微通道熱阻優(yōu)化K. Jeevan, G.A. Quadir, K.N. Seetharamu, I.A. Azid and Z.A. Zainal馬來西亞理科大學機械工程學院，檳城，馬來西亞摘要：目的基于遺傳算法擬定多層微通道在不同的流量約束條件下的最佳構(gòu)造尺寸。設(shè)計方式措施使用遺傳算法作為優(yōu)化工具，通過一維、二維有限元模型以及熱阻網(wǎng)絡(luò)模型（初期研究人員提出的）來優(yōu)化多層微通道的熱阻。采用二維有限元措施來研究在微通道中二維熱傳導(dǎo)的效果，研究不同參數(shù)對多層微通道散熱性能的影響規(guī)律，以不同層數(shù)的多層微通道為對象，研究其對最小熱阻的影響。結(jié)論一維有限元分析得到的成果與熱阻網(wǎng)絡(luò)

2、模型得到成果比較吻合，然而二維有限元分析得到的熱阻較低，因此，考慮微通道的二維傳導(dǎo)顯得非常重要。 研究限制本文分析僅合用于恒定屬性液體在穩(wěn)定狀態(tài)下，最上表面以及微通道的側(cè)面被覺得是絕熱的。實際應(yīng)用該措施對于微通道散熱器的設(shè)計十分有用。創(chuàng)新點多層微通道的有限元分析可以很容易得到微通道散熱器最小熱阻時的構(gòu)造尺寸。核心詞：熱阻，有限元分析，優(yōu)化措施引言設(shè)計散熱器的目的是為了帶走電子芯片上更多的熱量，這可以避免芯片過熱來延長芯片的疲勞壽命；良好的散熱片應(yīng)具有較小的熱阻，可以帶走盡量多的熱量，散熱器的構(gòu)造受總長度、總寬度、通道高度和寬度、翼片寬度等物理參數(shù)的限制，通過控制這些物理參數(shù)以及外部參數(shù)（如泵功

3、率），就可以達到散熱器最小熱阻。在初期的研究中，Tuckerman andPease (1981)設(shè)計的微通道散熱器，由平行的微流在寬50mm和高302mm的微通道中流動，在泵功率為1.84W時，得到的熱阻為。此后，對散熱器的許多其她方面進行了研究。在Phillips (1990)刊登了一篇有關(guān)微通道散熱器綜述的論文，分析了微通道入口區(qū)和完全發(fā)展區(qū)，層流和湍流，研究了翅片與微通道寬度比、微通道寬度、高寬比、基底厚度及微通道長度等參數(shù)變化。Bar-Cohen and Iyenger ()在研究熱沉系統(tǒng)時考慮了多種影響因素，如最小熱阻時的最小材料消耗、最小泵功率。Wei and Joshi ()

4、通過自己開發(fā)的簡樸熱阻模型研究了在給定泵功率的條件下多層微通道熱沉的散熱性能，成果表白，雙層微通道與單層微通道相比，由于傳熱面積增長一倍，在沒有進行尺寸優(yōu)化的狀況下，雙層微通道的總體散熱性能要高出30%。后來，Wei and Joshi ()通過微通道的構(gòu)造尺寸優(yōu)化，研究了微通道層數(shù)、熱沉單位面積泵功率及微通道長度對最優(yōu)熱阻的影響。本文研究在多層微通道內(nèi)流體的物理參數(shù)不變以及泵功率給定的條件下，優(yōu)化整個散熱器構(gòu)造尺寸，以達到熱阻最小為目的，涉及翅片厚度、微通道寬度、微通道長度、微通道層數(shù)和微通道的高寬比對散熱器熱阻的影響。采用遺傳算法，以物理參數(shù)為變量來優(yōu)化微通道散熱器的構(gòu)造尺寸，得到最小熱阻

5、。采用三種不同的措施來得到總熱阻，一方面采用Wei and Joshi ()提出的熱阻模型來研究所有參數(shù)，得到的成果與通過一維和二維有限元法得到的成果進行對比。一維和二維有限元措施的研究進展在分析部分給出了具體的闡明。分析圖1為雙層微通道一般構(gòu)造的示意圖，來自芯片上的均勻/不均勻的熱通量由微通道基底以及各層通道內(nèi)的冷卻液吸取。每層的的通道通過翅片分割，在頂部的翅片列陣粘貼蓋板來限制冷卻劑的流動。多層微通道總熱阻通過三種措施來擬定，即熱阻網(wǎng)格模型，一維有限元分析和二維有限元分析。描述這些措施之前，所有的研究措施中，多層微通道中合適的流體和傳熱條件為已知，通過這些可以擬定通道內(nèi)流體摩擦系數(shù)和傳熱系

6、數(shù)。圖1.雙層微通道熱沉構(gòu)造示意圖摩擦系數(shù)和努賽爾數(shù)在多層微通道中的壓降涉及收縮膨脹式出口和入口的壓力差，由于通道90度彎曲和流體流動的摩擦引起，由摩擦引起的稱為摩擦損失，在矩形微通道中其中摩擦損失占重要因素，因此在本文中只考慮摩擦損失，但還是選用所需摩擦系數(shù)的合適評價系數(shù)。如方程（1）中的Churchill-Usagi漸進式模型用來擬定摩擦系數(shù)，。 （1）其中其中為通道長度，為微通道高寬比，定義為： （4）但是必須注意，對于雷諾數(shù)中長度尺寸為通道截面積的平方根，同樣在矩形微通道中熱發(fā)展區(qū)段的努賽爾數(shù)計算為： （5）其中和。上述的有關(guān)系數(shù)為在分析過程中擬定傳熱系數(shù)時用到。熱阻網(wǎng)格模型(Wei

7、and Joshi, )微通道熱沉中的熱阻涉及熱傳導(dǎo)、對流傳熱和由冷卻劑平均溫度上升引起的，在Wei and Joshi ()論文中使用以上理論，基于熱阻網(wǎng)格模型分析了總熱阻。最高溫度在第一層微通道基底處，通過迭代的方式計算出總熱阻，的計算如下：微通道有限元模型由于多層微通道的各個層和各個通道都是相似的，因此只選用其中一種層的一種通道進行有限元分析（圖2），多層微通道頂部的翅片被假定為絕熱的，在本文的分析中一維和二維有限元分析措施被應(yīng)用到微通道散熱分析中。圖2具有六節(jié)點的單位通道有限元模型一維有限元模型在一維有限元模型中，微通道可以看做是沿z方向上的熱傳導(dǎo)和逼迫對流加上液體（冷卻液）同壁面之間

8、的熱傳遞的組合，如圖2中具有六個節(jié)點的模型被看作一種單元，微通道被劃分為多種這樣的小單元，垂直矩形微通道壁厚取翅片厚度的一半，流體的溫度在特定截面上均勻分布的，并且沿著微通道長度方向變化。一維有限元單元控制方程假設(shè)壁面的材料是各項同性的，左壁面（僅沿z方向的熱傳遞）與流體（強制對流）接觸，在穩(wěn)態(tài)條件下的能量方程如下：同樣，右壁面的能量方程為熱從兩豎直壁面和底部壁面向流體傳遞，得到如下方程：在這里底部壁面的控制方程沒有明確闡明，由于上述三個方程足夠解決每個單元中所有節(jié)點的系統(tǒng)方程。一維有限元的空間離散假設(shè)壁面為一維線性單元，則溫度變化也是線性的，由如下公式給出：其中同樣，對于流體的一維線性單元，

9、溫度變化表達為：其中從微通道相應(yīng)壁面到冷卻液的熱能傳遞驅(qū)動勢在方程（7）-（9）中可以表達為：通過使用Segerlind (1984) 和 Lewis（1996）等人提出的伽遼金法，有限元方程（7）（9）通過合并和組合得到：其中剛度矩陣給出為：其中是流體速度，荷載向量為：其取決于熱通量在微通道底面和基底面積（）上的分布。一維有限分析中每個單元有六個節(jié)點，因此在方程（18）中對于微通道的單個單元為矩陣。多層微通道的二維有限元模型二維有限元分析的實現(xiàn)，多層微通道被看作四個二維矩形壁面的熱傳導(dǎo)和逼迫對流加上一種流體（冷卻液）沿壁面的一維流動，但是要出去最上面一層的絕熱頂壁，如圖3所示，這樣的一種單元

10、具有是個節(jié)點，在冷卻液流動方向微通道通過離散劃分為多種這樣的單元，如圖3中豎直矩形壁面的厚度取微通道散熱器翅片厚度的一半。并假設(shè)流體溫度分布在橫截面上式均勻分布的，沿微通道熱沉長度方向上變化。圖3單個微通道的一種具有10個節(jié)點二維有限元分析單元二維有限元單元的控制方程假設(shè)壁面材料為各項同性的，左側(cè)壁面（熱傳導(dǎo)）與流體（強制對流）接觸的能量控制方程，在穩(wěn)態(tài)狀況下為：同理，右側(cè)壁面的能量方程為：熱量從數(shù)值壁面和基底壁面?zhèn)鬟f到流體，對于流體的控制方程為：在這里底部壁面的控制方程沒有明確闡明，由于上述三個方程足夠解決每個單元中所有節(jié)點的系統(tǒng)方程。二維有限元模型的空間離散假定壁面為一種二維雙線性矩形單元

11、，那么，其中然而，流體被考慮為一維線性單元，那么她的溫度變化表達為：其中如下替代為方程(21)-(23)獲得的條件：使用伽遼金法離散法，類似一維有限元法得到公式(7)-(9)的措施，同樣可以得到有限元方程組(24)-(27)：其中，在二維有限元分析中，是剛度矩陣，是荷載向量，在Quadir（）等給出了具體的解釋。在二維有限元分析中每個單元有10個節(jié)點，因此微通道單個單元為矩陣。如圖4中，雙層微通道每層的每個通道被分為8個單元，每個單元的每個節(jié)點編號如圖，在以上三種研究措施中，微通道的材料選用硅，具有恒定特性的誰作為冷卻液。圖4雙層微通道中單個通道各層單元劃分及節(jié)點編號遺傳算法遺傳算法來源于達爾

12、文的自然選擇和適者生存的物種遺傳學，在1967年Bagley第一次稱為“遺傳算法”。對于給定的問題，遺傳算法通過建立由個體構(gòu)成的群體，每個個體代表一種也許的解決方案，適應(yīng)度函數(shù)式遺傳算法中最核心的部分，一種合適的適應(yīng)度函數(shù)可以以縮短優(yōu)化時間，然后，具有最佳適應(yīng)度的個體將通過選擇過程選擇出來，被選擇的個體與群體里其她被選擇的個體產(chǎn)生新個體，個體的特性通過遺傳過程到后裔，即交叉和變異過程進行教化，交叉解決的是染色體之間的相應(yīng)的等位基因互換而突變過程是幾種等位基因的染色體上的變化。這兩個過程產(chǎn)生新的后裔，繼承了父代的某些功能，新的個體稱為下一代解決方案的新群體，評價和遺傳整個過程反復(fù)進行，直到群體收

13、斂到該問題的最佳解決方案或者遺傳算法運營到特定環(huán)節(jié)。成果和討論本研究的第一種目的是在單位面積不同的抽運功率下，使用遺傳算法得到最小整體熱阻的方案，如表1所示為使用三種措施對雙層微通道散熱器進行分析得到的成果，分析中的約束和Wei and Joshi()給出的是相似的，通過遺傳算法對微通道的尺寸進行優(yōu)化的成果，同Wei and Joshi()得到的成果相似，Wei ()使用復(fù)合型優(yōu)化算法得到的成果。使用同樣的三種措施對雙層微通道的長度對熱阻的優(yōu)化之后也被研究，最后，不同層數(shù)的微通道也被考慮，得到優(yōu)化后固定泵功率為0.01W，其她所需的約束條件在表1中列出。表1優(yōu)化中的約束條件Constraint

14、s typeMagnitudePumping power density Pressure drop, Flow rate, Length of heat sink, Width of heat sink, 1 cm1 cmHeight of a single layer of a heat sink 對于給定微通道長度、層數(shù)、泵功率，其她物理參數(shù)，例如翅片厚度、通道寬度和高度構(gòu)成遺傳算法中的變量，Wei and Joshi使用熱阻模型擬定這些變量，在遺傳算法中，第一次地帶的熱阻被存儲為適應(yīng)度和隨后的遺傳算子，也就是交叉和突變的變量，熱阻網(wǎng)格在之后的遺傳算法迭代過程中不斷產(chǎn)生新的變量，之后繼續(xù)

15、迭代，其中較早迭代的熱阻與本次迭代的熱電阻進行比較，那么在本次迭代的熱阻被存儲，否則將被裁減。迭代直到熱阻收斂于一種最小值，此時得到的熱阻的極小值和變量即為最佳耐熱性和最佳物理參數(shù)的微通道，為獲得最優(yōu)值，使用的遺傳算法的流程圖如圖5 。反復(fù)使用一維和二維有限元分析措施，最后獲得相應(yīng)的最佳耐熱性和相應(yīng)物理參數(shù)的微通道。熱阻網(wǎng)格熱阻網(wǎng)格（Wei and Joshi,）隨機生成1-D有限元模型2-D有限元模型最小熱阻記錄及對比上一次迭代成果遺傳算法操作交叉變異圖5熱阻優(yōu)化流程圖如前面提到，對于不同泵功率下的雙層微通道熱阻使用不同措施優(yōu)化得到的成果如圖6所示，在圖中Wei and Joshi（)通過熱

16、阻模型優(yōu)化熱阻得到的成果同一維有限元分析得到的成果相稱接近的，建議使用一維有限元分析措施（僅z方向上）。使用二維有限元分析措施得到的成果與Wei and Joshi（)和一維有限元分析措施50%接近，這是由于在二維有限元分析中獎x方向上的熱流約束也考慮，因此可以得出結(jié)論，二維有限分析在本研究中非常重要，此外從圖6中可以看出當泵功率不小于0.3W時，雙層微通道熱沉的熱阻變化變化時不明顯的。圖6雙層微通道散熱器熱阻隨泵功率變化曲線對于雙層微通道熱沉通道長度的優(yōu)化，在給定泵功率為單位面積0.01W/cm2 的狀況下，使用熱阻網(wǎng)格和二維有限元分析得到的成果在圖7中進行對比和分析，從圖7中可以看出，隨著

17、通道長度的增長，熱阻是增大的，在兩種分析中這種趨勢是相似的，成果表白要減少熱阻應(yīng)當使用較短的微通道。此外，從圖7中可以得到二維有限元分析得到的熱阻整體上比熱阻網(wǎng)格分析得到的成果要小。如果冷卻面積足夠大的時候，短微通道應(yīng)當被應(yīng)用，長微通道被裁減（Wei and Joshi，）。上面的分析中同步優(yōu)化了微通道的寬度、翅片的寬度和高寬比，優(yōu)化成果如圖8所示，從圖8（a）中可以看出隨著微通道的長度增長，微通道的優(yōu)化寬度也增長，這些發(fā)現(xiàn)時通過熱阻網(wǎng)格和二維有限元分析中同步得到的，然而，同二維有限元模型得到的成果對比，熱阻網(wǎng)格分析得到的微通道寬度相對較大。圖7不同長度的雙層微通道的熱阻優(yōu)化接著，通過變化通道

18、長度，優(yōu)化通道寬度和翅片寬度比（Wc/Wf），從圖8中可以看出，類似上面的趨勢，隨著通道長度增長，Wc/Wf也是增長的，在通道長度為0.02m是，二位有限元分析措施和熱阻網(wǎng)格分析措施進行對比，二維有限元分析措施得到的Wc/Wf更大。對于不同微通道長度時高寬比的優(yōu)化成果如圖8所示，由圖中可以看出隨著微通道長度的增長，高寬比是減小的，使得得到一種較小的熱阻，當通道長度超過0.015m是，二維有限元分析措施和熱阻網(wǎng)格模型分析措施得到的成果是基本一致的。圖8隨微通道長度變化各個變量的優(yōu)化狀況最后，將使用三種分析措施（熱阻網(wǎng)格模型分析、一維有限元分析、二維有限元分析）得到的成果總分分析，在這三種發(fā)措施中

19、，如圖9所示由遺傳算法得到在給定泵功率（0.01W/cm2）時不同層數(shù)微通道優(yōu)化后的最小熱阻，Wei and Joshi（）得到的成果和一維有限元分析措施得到的成果基本一致，由圖9可以看出隨著微通道層數(shù)的增長最優(yōu)熱阻也是增長的，這和實際是吻合的，當微通道層數(shù)增長時，微通道內(nèi)的流體速度減少，導(dǎo)致傳熱系數(shù)減少，并且傳熱表面積增長，導(dǎo)致熱阻減少。從圖中也可以顯而易見的看出當微通道層數(shù)沖一層到二層是熱阻的變化率是最高的，當層數(shù)不小于四層時，熱阻網(wǎng)格模型和一維有限元分析中得到的熱阻變化率明顯變小，然而二維有限元分析中得到的成果相對其她兩種措施中得到的熱阻都相對較小，因此，二維熱傳導(dǎo)對多層微通道熱阻的影響

20、能跟明顯的展示出來，隨層數(shù)的增長熱阻下降的趨勢在二維有限元模擬中同樣分析得到，對于五層和六層微通道使用熱阻網(wǎng)格和一維有限元法同樣可以得到最低熱阻。圖9不同層數(shù)微通道相應(yīng)的最佳熱阻結(jié)論通過熱阻網(wǎng)格模型、一維有限元模型、二維有限元模型，借助遺傳算法對不同泵功率和固定通道長度的雙層微通道散熱器進行優(yōu)化，之后又對給定泵功率和不同通道長度的雙層微通道散熱器的熱阻進行優(yōu)化，最后有對不同層數(shù)微通道在給定泵功率的條件下的散熱性能進行評估，基于以上分析，得出如下結(jié)論：給定微通道層數(shù)的條件下，熱阻隨著泵功率的增長而減小，然而，隨著泵功率的增大，泵功率的增大對熱阻的影響減小。Wei 和Joshi使用熱阻網(wǎng)格模型得到

21、的成果和使用一維有限元模型得到的成果是基本一致的。使用二維有限元分析措施得到的熱阻比Wei 和Joshi的熱阻模型和一維有限元模型得到的成果小50%，因此，在分析微通道散熱時，任何一種方向上的對流傳熱都非常重要。對于給定泵功率和給定層數(shù)的微通道散熱器，隨著通道長度的增長熱阻是增長的。使用二維有限元措施對給定泵功率為單位面積0.01W/cm2的微通道的層數(shù)進行優(yōu)化時，得到的微通道層數(shù)為三層。參照文獻：Bagley, J.D. (1967), “The behavior of adaptive systems which employ genetic and correlation algorit

22、hms”, Dissertation Abstracts International, Vol. 28 No. 12.Cohen, A.B. and Iyenger, M. (), “Design and optimization of air cooled heat sinks for sustainable development”, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 25 No. 4, pp. 584-91.Lewis, R.W., Morgan, K., Thoma, H.R. and Se

23、etharamu, K.N. (1996), The Finite Element Method in Heat Transfer Analysis, Wiley, New York, Phillips, R.J. (1990), “Micro-channel heat sinks”, Advances in Thermal Modeling of Electronic Components, ASME, Vol. 2, Ch. 3, pp. 109-84.Quadir, G.A., Mydin, A. and Seetharamu, K.N. (), “Analysis of microchannel heat exchangers using FEM”, Internat