2022年专业英语中文翻译老师修改

1、翻译：基于遗传算法的多层微通道热阻优化K. Jeevan, G.A. Quadir, K.N. Seetharamu, I.A. Azid and Z.A. Zainal马来西亚理科大学机械工程学院，槟城，马来西亚摘要：目的基于遗传算法拟定多层微通道在不同的流量约束条件下的最佳构造尺寸。设计方式措施使用遗传算法作为优化工具，通过一维、二维有限元模型以及热阻网络模型（初期研究人员提出的）来优化多层微通道的热阻。采用二维有限元措施来研究在微通道中二维热传导的效果，研究不同参数对多层微通道散热性能的影响规律，以不同层数的多层微通道为对象，研究其对最小热阻的影响。结论一维有限元分析得到的成果与热阻网络

2、模型得到成果比较吻合，然而二维有限元分析得到的热阻较低，因此，考虑微通道的二维传导显得非常重要。 研究限制本文分析仅合用于恒定属性液体在稳定状态下，最上表面以及微通道的侧面被觉得是绝热的。实际应用该措施对于微通道散热器的设计十分有用。创新点多层微通道的有限元分析可以很容易得到微通道散热器最小热阻时的构造尺寸。核心词：热阻，有限元分析，优化措施引言设计散热器的目的是为了带走电子芯片上更多的热量，这可以避免芯片过热来延长芯片的疲劳寿命；良好的散热片应具有较小的热阻，可以带走尽量多的热量，散热器的构造受总长度、总宽度、通道高度和宽度、翼片宽度等物理参数的限制，通过控制这些物理参数以及外部参数（如泵功

3、率），就可以达到散热器最小热阻。在初期的研究中，Tuckerman andPease (1981)设计的微通道散热器，由平行的微流在宽50mm和高302mm的微通道中流动，在泵功率为1.84W时，得到的热阻为。此后，对散热器的许多其她方面进行了研究。在Phillips (1990)刊登了一篇有关微通道散热器综述的论文，分析了微通道入口区和完全发展区，层流和湍流，研究了翅片与微通道宽度比、微通道宽度、高宽比、基底厚度及微通道长度等参数变化。Bar-Cohen and Iyenger ()在研究热沉系统时考虑了多种影响因素，如最小热阻时的最小材料消耗、最小泵功率。Wei and Joshi ()

4、通过自己开发的简朴热阻模型研究了在给定泵功率的条件下多层微通道热沉的散热性能，成果表白，双层微通道与单层微通道相比，由于传热面积增长一倍，在没有进行尺寸优化的状况下，双层微通道的总体散热性能要高出30%。后来，Wei and Joshi ()通过微通道的构造尺寸优化，研究了微通道层数、热沉单位面积泵功率及微通道长度对最优热阻的影响。本文研究在多层微通道内流体的物理参数不变以及泵功率给定的条件下，优化整个散热器构造尺寸，以达到热阻最小为目的，涉及翅片厚度、微通道宽度、微通道长度、微通道层数和微通道的高宽比对散热器热阻的影响。采用遗传算法，以物理参数为变量来优化微通道散热器的构造尺寸，得到最小热阻

5、。采用三种不同的措施来得到总热阻，一方面采用Wei and Joshi ()提出的热阻模型来研究所有参数，得到的成果与通过一维和二维有限元法得到的成果进行对比。一维和二维有限元措施的研究进展在分析部分给出了具体的阐明。分析图1为双层微通道一般构造的示意图，来自芯片上的均匀/不均匀的热通量由微通道基底以及各层通道内的冷却液吸取。每层的的通道通过翅片分割，在顶部的翅片列阵粘贴盖板来限制冷却剂的流动。多层微通道总热阻通过三种措施来拟定，即热阻网格模型，一维有限元分析和二维有限元分析。描述这些措施之前，所有的研究措施中，多层微通道中合适的流体和传热条件为已知，通过这些可以拟定通道内流体摩擦系数和传热系

6、数。图1.双层微通道热沉构造示意图摩擦系数和努赛尔数在多层微通道中的压降涉及收缩膨胀式出口和入口的压力差，由于通道90度弯曲和流体流动的摩擦引起，由摩擦引起的称为摩擦损失，在矩形微通道中其中摩擦损失占重要因素，因此在本文中只考虑摩擦损失，但还是选用所需摩擦系数的合适评价系数。如方程（1）中的Churchill-Usagi渐进式模型用来拟定摩擦系数，。 （1）其中其中为通道长度，为微通道高宽比，定义为： （4）但是必须注意，对于雷诺数中长度尺寸为通道截面积的平方根，同样在矩形微通道中热发展区段的努赛尔数计算为： （5）其中和。上述的有关系数为在分析过程中拟定传热系数时用到。热阻网格模型(Wei

7、and Joshi, )微通道热沉中的热阻涉及热传导、对流传热和由冷却剂平均温度上升引起的，在Wei and Joshi ()论文中使用以上理论，基于热阻网格模型分析了总热阻。最高温度在第一层微通道基底处，通过迭代的方式计算出总热阻，的计算如下：微通道有限元模型由于多层微通道的各个层和各个通道都是相似的，因此只选用其中一种层的一种通道进行有限元分析（图2），多层微通道顶部的翅片被假定为绝热的，在本文的分析中一维和二维有限元分析措施被应用到微通道散热分析中。图2具有六节点的单位通道有限元模型一维有限元模型在一维有限元模型中，微通道可以看做是沿z方向上的热传导和逼迫对流加上液体（冷却液）同壁面之间

8、的热传递的组合，如图2中具有六个节点的模型被看作一种单元，微通道被划分为多种这样的小单元，垂直矩形微通道壁厚取翅片厚度的一半，流体的温度在特定截面上均匀分布的，并且沿着微通道长度方向变化。一维有限元单元控制方程假设壁面的材料是各项同性的，左壁面（仅沿z方向的热传递）与流体（强制对流）接触，在稳态条件下的能量方程如下：同样，右壁面的能量方程为热从两竖直壁面和底部壁面向流体传递，得到如下方程：在这里底部壁面的控制方程没有明确阐明，由于上述三个方程足够解决每个单元中所有节点的系统方程。一维有限元的空间离散假设壁面为一维线性单元，则温度变化也是线性的，由如下公式给出：其中同样，对于流体的一维线性单元，

9、温度变化表达为：其中从微通道相应壁面到冷却液的热能传递驱动势在方程（7）-（9）中可以表达为：通过使用Segerlind (1984) 和 Lewis（1996）等人提出的伽辽金法，有限元方程（7）（9）通过合并和组合得到：其中刚度矩阵给出为：其中是流体速度，荷载向量为：其取决于热通量在微通道底面和基底面积（）上的分布。一维有限分析中每个单元有六个节点，因此在方程（18）中对于微通道的单个单元为矩阵。多层微通道的二维有限元模型二维有限元分析的实现，多层微通道被看作四个二维矩形壁面的热传导和逼迫对流加上一种流体（冷却液）沿壁面的一维流动，但是要出去最上面一层的绝热顶壁，如图3所示，这样的一种单元

10、具有是个节点，在冷却液流动方向微通道通过离散划分为多种这样的单元，如图3中竖直矩形壁面的厚度取微通道散热器翅片厚度的一半。并假设流体温度分布在横截面上式均匀分布的，沿微通道热沉长度方向上变化。图3单个微通道的一种具有10个节点二维有限元分析单元二维有限元单元的控制方程假设壁面材料为各项同性的，左侧壁面（热传导）与流体（强制对流）接触的能量控制方程，在稳态状况下为：同理，右侧壁面的能量方程为：热量从数值壁面和基底壁面传递到流体，对于流体的控制方程为：在这里底部壁面的控制方程没有明确阐明，由于上述三个方程足够解决每个单元中所有节点的系统方程。二维有限元模型的空间离散假定壁面为一种二维双线性矩形单元

11、，那么，其中然而，流体被考虑为一维线性单元，那么她的温度变化表达为：其中如下替代为方程(21)-(23)获得的条件：使用伽辽金法离散法，类似一维有限元法得到公式(7)-(9)的措施，同样可以得到有限元方程组(24)-(27)：其中，在二维有限元分析中，是刚度矩阵，是荷载向量，在Quadir（）等给出了具体的解释。在二维有限元分析中每个单元有10个节点，因此微通道单个单元为矩阵。如图4中，双层微通道每层的每个通道被分为8个单元，每个单元的每个节点编号如图，在以上三种研究措施中，微通道的材料选用硅，具有恒定特性的谁作为冷却液。图4双层微通道中单个通道各层单元划分及节点编号遗传算法遗传算法来源于达尔

12、文的自然选择和适者生存的物种遗传学，在1967年Bagley第一次称为“遗传算法”。对于给定的问题，遗传算法通过建立由个体构成的群体，每个个体代表一种也许的解决方案，适应度函数式遗传算法中最核心的部分，一种合适的适应度函数可以以缩短优化时间，然后，具有最佳适应度的个体将通过选择过程选择出来，被选择的个体与群体里其她被选择的个体产生新个体，个体的特性通过遗传过程到后裔，即交叉和变异过程进行教化，交叉解决的是染色体之间的相应的等位基因互换而突变过程是几种等位基因的染色体上的变化。这两个过程产生新的后裔，继承了父代的某些功能，新的个体称为下一代解决方案的新群体，评价和遗传整个过程反复进行，直到群体收

13、敛到该问题的最佳解决方案或者遗传算法运营到特定环节。成果和讨论本研究的第一种目的是在单位面积不同的抽运功率下，使用遗传算法得到最小整体热阻的方案，如表1所示为使用三种措施对双层微通道散热器进行分析得到的成果，分析中的约束和Wei and Joshi()给出的是相似的，通过遗传算法对微通道的尺寸进行优化的成果，同Wei and Joshi()得到的成果相似，Wei ()使用复合型优化算法得到的成果。使用同样的三种措施对双层微通道的长度对热阻的优化之后也被研究，最后，不同层数的微通道也被考虑，得到优化后固定泵功率为0.01W，其她所需的约束条件在表1中列出。表1优化中的约束条件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 对于给定微通道长度、层数、泵功率，其她物理参数，例如翅片厚度、通道宽度和高度构成遗传算法中的变量，Wei and Joshi使用热阻模型拟定这些变量，在遗传算法中，第一次地带的热阻被存储为适应度和随后的遗传算子，也就是交叉和突变的变量，热阻网格在之后的遗传算法迭代过程中不断产生新的变量，之后继续

15、迭代，其中较早迭代的热阻与本次迭代的热电阻进行比较，那么在本次迭代的热阻被存储，否则将被裁减。迭代直到热阻收敛于一种最小值，此时得到的热阻的极小值和变量即为最佳耐热性和最佳物理参数的微通道，为获得最优值，使用的遗传算法的流程图如图5 。反复使用一维和二维有限元分析措施，最后获得相应的最佳耐热性和相应物理参数的微通道。热阻网格热阻网格（Wei and Joshi,）随机生成1-D有限元模型2-D有限元模型最小热阻记录及对比上一次迭代成果遗传算法操作交叉变异图5热阻优化流程图如前面提到，对于不同泵功率下的双层微通道热阻使用不同措施优化得到的成果如图6所示，在图中Wei and Joshi（)通过热

16、阻模型优化热阻得到的成果同一维有限元分析得到的成果相称接近的，建议使用一维有限元分析措施（仅z方向上）。使用二维有限元分析措施得到的成果与Wei and Joshi（)和一维有限元分析措施50%接近，这是由于在二维有限元分析中奖x方向上的热流约束也考虑，因此可以得出结论，二维有限分析在本研究中非常重要，此外从图6中可以看出当泵功率不小于0.3W时，双层微通道热沉的热阻变化变化时不明显的。图6双层微通道散热器热阻随泵功率变化曲线对于双层微通道热沉通道长度的优化，在给定泵功率为单位面积0.01W/cm2 的状况下，使用热阻网格和二维有限元分析得到的成果在图7中进行对比和分析，从图7中可以看出，随着

17、通道长度的增长，热阻是增大的，在两种分析中这种趋势是相似的，成果表白要减少热阻应当使用较短的微通道。此外，从图7中可以得到二维有限元分析得到的热阻整体上比热阻网格分析得到的成果要小。如果冷却面积足够大的时候，短微通道应当被应用，长微通道被裁减（Wei and Joshi，）。上面的分析中同步优化了微通道的宽度、翅片的宽度和高宽比，优化成果如图8所示，从图8（a）中可以看出随着微通道的长度增长，微通道的优化宽度也增长，这些发现时通过热阻网格和二维有限元分析中同步得到的，然而，同二维有限元模型得到的成果对比，热阻网格分析得到的微通道宽度相对较大。图7不同长度的双层微通道的热阻优化接着，通过变化通道

18、长度，优化通道宽度和翅片宽度比（Wc/Wf），从图8中可以看出，类似上面的趋势，随着通道长度增长，Wc/Wf也是增长的，在通道长度为0.02m是，二位有限元分析措施和热阻网格分析措施进行对比，二维有限元分析措施得到的Wc/Wf更大。对于不同微通道长度时高宽比的优化成果如图8所示，由图中可以看出随着微通道长度的增长，高宽比是减小的，使得得到一种较小的热阻，当通道长度超过0.015m是，二维有限元分析措施和热阻网格模型分析措施得到的成果是基本一致的。图8随微通道长度变化各个变量的优化状况最后，将使用三种分析措施（热阻网格模型分析、一维有限元分析、二维有限元分析）得到的成果总分分析，在这三种发措施中

19、，如图9所示由遗传算法得到在给定泵功率（0.01W/cm2）时不同层数微通道优化后的最小热阻，Wei and Joshi（）得到的成果和一维有限元分析措施得到的成果基本一致，由图9可以看出随着微通道层数的增长最优热阻也是增长的，这和实际是吻合的，当微通道层数增长时，微通道内的流体速度减少，导致传热系数减少，并且传热表面积增长，导致热阻减少。从图中也可以显而易见的看出当微通道层数冲一层到二层是热阻的变化率是最高的，当层数不小于四层时，热阻网格模型和一维有限元分析中得到的热阻变化率明显变小，然而二维有限元分析中得到的成果相对其她两种措施中得到的热阻都相对较小，因此，二维热传导对多层微通道热阻的影响

20、能跟明显的展示出来，随层数的增长热阻下降的趋势在二维有限元模拟中同样分析得到，对于五层和六层微通道使用热阻网格和一维有限元法同样可以得到最低热阻。图9不同层数微通道相应的最佳热阻结论通过热阻网格模型、一维有限元模型、二维有限元模型，借助遗传算法对不同泵功率和固定通道长度的双层微通道散热器进行优化，之后又对给定泵功率和不同通道长度的双层微通道散热器的热阻进行优化，最后有对不同层数微通道在给定泵功率的条件下的散热性能进行评估，基于以上分析，得出如下结论：给定微通道层数的条件下，热阻随着泵功率的增长而减小，然而，随着泵功率的增大，泵功率的增大对热阻的影响减小。Wei 和Joshi使用热阻网格模型得到

21、的成果和使用一维有限元模型得到的成果是基本一致的。使用二维有限元分析措施得到的热阻比Wei 和Joshi的热阻模型和一维有限元模型得到的成果小50%，因此，在分析微通道散热时，任何一种方向上的对流传热都非常重要。对于给定泵功率和给定层数的微通道散热器，随着通道长度的增长热阻是增长的。使用二维有限元措施对给定泵功率为单位面积0.01W/cm2的微通道的层数进行优化时，得到的微通道层数为三层。参照文献：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