一种泡沫金属散热器金属骨架参数寻优及金属骨架构建方法与流程

本发明涉及车辆热管理领域，尤其涉及一种泡沫金属散热器金属骨架参数寻优及金属骨架构建方法。

背景技术：

1、车辆热管理系统对于车辆的性能、可靠性和燃油经济性起着至关重要的作用，散热器作为车辆热管理系统最重要的部分之一得到了广泛的关注。泡沫金属散热器采用多孔金属骨架代替翅片，不仅提高了传热面积，而且金属骨架的三维特性可以破坏边界层的发展，提高了对流传热系数。金属骨架直接影响泡沫金属散热器的散热性能，基于金属骨架参数可以生成金属骨架，因此，如何找到合适的金属骨架参数具有非常重要的意义。

2、目前现有的金属骨架设计为正十二面体、正十四面体、蜂窝等结构，金属骨架参数使用规则的几何模型计算。但是金属骨架常采用熔融金属吹气或造孔剂和金属粉末熔融烧蚀形成，因此其形成的孔隙是不规则的且具有很强的随机性，从而导致加工具有规则几何形状的金属骨架成本高、难度大、无法在生产制造中推广应用。

3、现有技术主要存在以下缺陷，一是现有的金属骨架参数选取方法不能很好地适应孔隙大小的不规则性，导致热阻减小不理想；二是现有的金属骨架参数选取方法不能适应实际生产过程中孔隙分布的随机性，对实际生产过程的适应性差；三是加工具有规则几何形状的金属骨架成本高；四是加工具有规则几何形状的金属骨架难度大，无法在生产制造中推广应用。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种泡沫金属散热器金属骨架参数寻优及金属骨架构建方法，用以解决现有金属骨架参数选取方法热阻减小不理想、不能很好地适应孔隙大小的不规则性和分布的随机性、对实际生产过程的适应性差以及泡沫金属散热器金属骨架生产成本高、难度大、无法在生产制造中推广应用的问题。

2、本发明提供了一种泡沫金属散热器金属骨架参数寻优方法，所述方法包括以下步骤：

3、设置金属骨架参数的初始值和寻优范围，基于所述初始值和寻优范围得到n组金属骨架参数；

4、基于每一组金属骨架参数得到对应的金属骨架网格，通过计算金属骨架网格的传热因子和流动因子得到jf因子，继续进行下一组金属骨架参数的仿真，直至遍历完n组金属骨架参数；

5、基于各组jf因子的大小，选出最优的金属骨架参数。

6、进一步地，所述每一组金属骨架参数为每个参数有对应的初始值与寻优范围，其中为孔隙直径均值的对数值，为孔隙直径的标准差，v为孔隙率；采用soble算法得到n组金属骨架参数。

7、进一步地，通过以下方法得到所述传热因子：

8、

9、其中，j为传热因子，为代表体元平均的雷诺数，为代表体元平均的努赛尔数，为代表体元平均的普朗特数，re为代表体元的雷诺数，nu为代表体元的努赛尔数，pr为代表体元的普朗特数，v为孔隙率，s为孔隙表面积。

10、进一步地，通过以下方法得到所述流动因子：

11、

12、其中，f为流动因子，d为孔隙的当量直径，s为孔隙表面积，ω为代表体元的体积，v为平均进口空气流速，ρ为空气密度，pi为进出口空气压差。

13、进一步地，所述基于jf因子的大小，选出最优的金属骨架参数包括：

14、选取jf最大时对应的金属骨架参数作为最优的金属骨架参数。

15、通过以下方法得到所述jf因子：

16、jf＝j/f1/3

17、其中，jf为jf因子。

18、进一步地，本发明提供了一种基于泡沫金属散热器金属骨架参数寻优方法的金属骨架参数生成金属骨架的方法，所述方法包括以下步骤：

19、步骤1、根据最优的孔隙的平均直径确定代表体元的直径并生成代表体元；

20、步骤2、基于最优的孔隙直径均值的对数值和孔隙直径的标准差，采用对数正态分布得到孔隙直径的分布；

21、步骤3、基于所述孔隙直径的分布和最优的孔隙率得到金属骨架三维图像；

22、步骤4、建立坐标系，沿坐标轴对所述金属骨架三维图像进行法向切片得到多个二值图；

23、步骤5、将所述多个二值图导入matlab中，通过分割及边界识别得到cad文件，基于所述cad文件得到金属骨架和孔隙的网格；

24、步骤6、基于所述金属骨架和孔隙的网格生成金属骨架。

25、进一步地，采用如下方式得到孔隙直径的分布：

26、

27、其中，d为孔隙直径，为最优的孔隙直径均值的对数值，为最优的孔隙直径的标准差。

28、进一步地，所述基于所述孔隙直径的分布和最优的孔隙率得到金属骨架三维图像包括：

29、将孔隙按所述孔隙直径的分布和最优的孔隙率通过3d图像处理软件随机放置于代表体元中；

30、3d图像处理软件使孔隙处的金属消除从而得到金属骨架三维图像。

31、进一步地，所述建立坐标系，沿坐标轴对所述金属骨架三维图像进行法向切片得到多个二值图包括：

32、建立三维坐标系，所述坐标系x、y、z轴分别与金属骨架的边平行；

33、沿x、y、z轴中的任一个从所述金属骨架三维图像的一侧起到所述金属骨架图像的另一侧止，以1个像素为步长连续进行法向切片得到一系列切片图；

34、将每张切片图中的孔隙和金属骨架的像素值分别设为0和255，得到对应的二值图。

35、进一步地，所述将所述多个二值图导入matlab中，通过分割及边界识别得到cad文件，基于所述cad文件得到金属骨架和孔隙的网格，包括：

36、将所述多个二值图导入matlab中，将每张二值图的像素点集通过分割分别得到对应的孔隙像素点集和金属骨架像素点集；

37、基于所述孔隙像素点集和金属骨架像素点集合通过沿坐标轴线性插值的方法识别孔隙与金属骨架的边界，从而得到cad文件；

38、基于所述cad文件通过网格采样点函数生成金属骨架和孔隙的网格。

39、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

40、1、本发明采用仿真的方式得到金属骨架网格的jf因子，根据所述jf因子得到最优的金属骨架参数，因此优选出的金属骨架参数可以很好地减小热阻、散热效果理想。

41、2、本发明采用试验的方式，在合理范围内对金属骨架参数进行寻优，仿真结果反应了生产过程中孔隙大小的不规则性和分布的随机性，能很好地适应实际的生产情况。

42、3、本发明通过传热因子和流动因子的比值得到jf因子，通过jf因子对金属骨架的散热性能进行评价，提供了量化评价方法，从而能直观地得到品质评级。

43、4、本发明采用对数正态分布得到孔隙直径的分布，符合孔隙大小不统一的实际情况；通过设置孔隙率并将孔隙按孔隙直径的分布和孔隙率随机放置于代表体元中，符合孔隙分布具有很强的随机性的实际情况，生产成本低、困难小、适合在生产制造中推广应用。

44、5、本发明利用二值图描述孔隙与金属骨架的结构，降低了图像处理过程中计算的复杂性，大大减少了计算量，提高了图像处理的速度。

45、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。