题目：CPU 空气强迫对流冷却系统优化设计

计算机飞速发展，使得电子产品的功能越来越强，电子组件的总发热量逐年升高，但体积趋于微小化，热流密度越来越大，导致较高温升。过高温度将使电子组件产生电子游离与热应力等现象，造成整体的稳定性降低，缩短电子组件本身的寿命，因此快速有效地排出热量一直是电子散热研究的热点问题。空气冷却方式中风扇冲击射流在局部冷却及快速散热等方面具有绝对优势，配合散热器对高功率电子设备（CPU）进行冷却，是解决其散热问题的有效途径。本文研究对象为风扇和放射状散热器组件。面对空气强迫对流散热方式的极限挑战，为进一步提高空气强迫对流换热效果，本文分别提出了基于熵产的风扇和散热器一体化设计思想、风扇和散热器参数化设计和模拟方法、基于CFD 方法以熵产最小为目标函数的多参数组合优化策略，适用于风扇和曲线型散热器组件优化问题。研究工作主要包括以下三部分：（1）为从整体角度提高散热器冷却效果，提出了风扇和散热器一体化设计思想。首先对小型轴流风扇进行设计和数值模拟。然后基于风扇出口流场特性对肋片形状进行气动和传热设计，开发一系列高性能的放射状散热器，并通过数值模拟以熵产进行性能评估，结果表明系列散热器能达到高效散热目的。在一体化设计中，熵产最小化原理是一个非常有效的工具。一体化中的熵产可以确立风扇和散热器的联系，能够综合权衡风扇的外特性和效率特性。最后由风洞实验和热阻实验验证了数值模拟的可靠性。（2）基于参数化设计思想，建立了风扇和散热器参数化系统，提出了风扇和曲线型散热器参数化设计和模拟方法，开发了风扇和散热器设计软件，并进行特性分析，为多参数优化设计奠定基础。参数化设计和模拟方法比起传统方法有许多的优点，当改变一些结构参数后，可以很快地生成网格并进行数值模拟，生成的六面体结构网格在对待风扇和曲线型散热器内部复杂的流动和传热现象时，能够较好地捕捉到各种细节。利用本文开发的软件，快速分析风扇和散热器结构参数对其性能的影响，建立起风扇和散热器参数数据库，加深了对风扇和散热器结构参数在整体性能中影响程度的认识，为进一步的优化设计提供了改进的趋势。（3）提出了采用遗传算法和数值优化算法（混合整数规划算法）的二阶段组合优化策略，基于CFD 方法采用组合优化策略（试验设计、遗传算法、响应面模型和数值优化算法）对风扇和散热器组件主要性能结构参数进行优化。首先从电子冷却实际工程角ii度出发，以多工作点平均流量最大为目标函数，同时以静压效率不等式为约束条件，对风扇进行优化。然后对放射状散热器分别从形状和尺寸两个层次进行优化，根据风扇出口流场特性设计了气动和传热性能优良的曲线型散热器，在此基础上展开尺寸优化，曲线型散热器热性能获得很大程度提高。最后以风扇和散热器的结构参数为设计变量进行整体优化，结果表明设计变量自由度越高，其最优解性能越好。这种自动的优化方法，可以有效地提高风扇和散热器的性能，大大降低了设计周期和成本，对于同类问题的产品设计模式都有一定的借鉴和启发。