一种多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法技术

本发明专利技术提供一种多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法，该方法包括：以体积和改进熵产数为多目标函数，基于导热系数对焓值的导数的变化进行划分换热温区，并结合遗传算法优化换热器结构，再将优化的计算分段进一步建立分布参数模型，以校核实际压降、出口温度和流体状态参数，并传递给下一个计算分段，从而形成优化校核同步的设计方法，最后获得各个分段翅片的流道结构形成最终所设计的换热器。本发明专利技术可实现换热器的精准设计、高效换热和流动减阻。和流动减阻。和流动减阻。

【技术实现步骤摘要】
一种多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法


[0001]本专利技术涉及一种换热器设计方法，特别是涉及一种多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法，属于计算机辅助设计


技术介绍

[0002]流体热质传递技术广泛应用于船舶海洋、航空航天、制冷空调等很多低温系统和先进动力系统中，其中换热器为热质传递技术的核心部件。目前在换热过程中很多流体物理性质会发生强烈变化，这对换热器的设计带来了极大的挑战，比如液化天然气的汽化器设计，航空煤油的换热器设计，超临界二氧化碳制冷换热器的设计等，同时换热器的强化传热和流动减阻不仅可提高传热速率和降低热量运输过程中的能耗，而且可降低传热设备尺寸和运行投资成本。例如对于天然气气化过程，天然气的气化流程是在超临界压力下进行，超临界流体具有：密度大、粘性小及扩散速度快等物理特性，在微通道内流动产生的压损比普通流体小很多，能表现出优良的流动和换热性能。但是也面临着诸多问题：天然气在换热的过程中其密度、粘度和比热容等物性会在拟临界温区附近有剧烈的波动，因此常规对换热器整体流道优化设计，亦或者通过人为调节换热流道疏密程度，均难以使换热器翅片流道完全适应流体换热过程的剧烈物性变化。

技术实现思路

[0003]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法，目的是优化强变流体换热器结构，实现流动换热过程中物性强烈变化流体的换热器高效换热和流动减阻。
[0004]本专利技术技术方案如下：一种多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1、根据设计条件，基于强变流体换热器尺寸和性能确定优化的多目标函数；
[0006]步骤2、对强变流体换热器基于导热系数对焓值的导数的变化进行分段，确定分段数量N和各分段所属温区范围；
[0007]步骤3、确定强变流体换热器的流动形式及翅片流道参数结构变量[x1…
x
n
]，并采用遗传算法初始化结构参数种群，设定最大迭代次数Max，每个结构参数种群对应一组翅片流道结构变量x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]i
，i＝1,2,
···
,N；
[0008]步骤4、根据初始化的结构参数，建立第i段热平衡方程式和传热方程式，并确定第i段换热器结构尺寸，初始时i＝1；
[0009]步骤5、根据所述步骤4确定的第i段换热器结构尺寸，设置单元数，建立单元数内结构参数与流动阻力之间的关系；
[0010]步骤6、由所述步骤5建立的单元数内结构参数与流动阻力之间的关系，建立分布参数校核非线性方程组，并求解非线性方程组，当计算容差小于阈值时，输出第i段校核后实际压降ΔP
i
、出口温度T
′
i
和流体状态参数；如果i<N，则i＝i+1，并计算P
i+1
＝P
i
‑
ΔP
i
，T
i+1
＝T
′
i
，P为压力，T为温度，i为计算分段，返回步骤4；如果i＝N，则执行步骤7；
[0011]步骤7、获得换热器各段尺寸L
i
，并计算步骤1确定的额多目标函数；
[0012]步骤8：对目标函数进行拥挤度计算m为同一层个体的数量，和是与第s个个体在第t个目标值下相距最近的两个目标值，并进行非支配排序以保留种群中优良的个体；
[0013]步骤9：采用遗传算子通过选择、交叉、变异产生新的结构参数种群子代x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]′
i
；
[0014]步骤10：父代种群x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]i
与子代x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]′
i
合并产生新一代结构参数种群x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]″
i
以优化种群结构，使Gen＝Gen+1，并返回步骤4并依次构成优化校核同步循环，直到迭代次数Gen＝Max时，输出强变流体换热器优化变量及对应的Pareto解集。
[0015]进一步地，所述多目标函数为影响换热器尺寸的体积和换热器性能的改进熵产数，目的是设计获得体积最小化和改进熵产数最小化的强变流体换热器，函数形式如下：
[0016]体积：F1＝V＝L
×
W
×
H；式中：L为长度，H为高度，W为宽度
[0017]改进熵产数：式中N
sl
为熵产数，S
tot
为熵产率，Q为换热量，C
p
为定压比热，R
g
为通用气体常数。
[0018]进一步地，所述步骤2中对强变流体换热器基于导热系数对焓值的导数的变化进行分段是以导热系数对焓值的导数的拐点为分割点在所述强变流体换热器的长度方向进行分段。
[0019]进一步地，所述强变流体换热器的流动形式为逆流、顺流或交叉流。
[0020]进一步地，所述强变流体换热器的翅片流道结构为翼形流道时，所述翅片流道结构变量包括翼型翅片弦长、最大翅片厚度、升角、翅片高度、翅片横向间距、翅片纵向间距、冷侧流道层数、强变流体换热器的纵横比以及强变流体换热器的宽度。翼型翅片弦长为[0.004m,0.016m]，最大翅片厚度为[0.0004m,0.001m]，升角为[0
°
,15
°
]，翅片高度为[0.0005m,0.002m]，翅片横向间距为[0m,0.02m]，翅片纵向间距为[0m,0.02m]，冷侧流道层数为[1,100]，强变流体换热器的纵横比为[0.4,2.5]，强变流体换热器的宽度为[0.2m,0.65m]。
[0021]进一步地，所述步骤4中的第i段热平衡方程式为:Q
i
＝q
m,c
(h
c,i+1
‑
h
c,i
)＝q
m,h
(h
h,i
‑
h
h,i+1
)，其中q
m,c
为冷流体质量流量，h
c
为冷流体焓值，q
m,h
为热流体质量流量，h
h
为热流体焓值；所述的第i段传热方程式为：Q
i
＝K
i
A
i
Δt
m,i
,其中由传热关联式获得K
i
与结构参数的关系式K
i
＝φ
i
(x1…
x
n
)，由翅片几何结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据设计条件，基于强变流体换热器尺寸和性能确定优化的多目标函数；步骤2、对强变流体换热器基于导热系数对焓值的导数的变化进行分段，确定分段数量N和各分段所属温区范围；步骤3、确定强变流体换热器的流动形式及翅片流道参数结构变量[x1ꢀ…ꢀ
x
n
]，并采用遗传算法初始化结构参数种群，设定最大迭代次数Max，每个结构参数种群对应一组翅片流道结构变量x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]
i
，i＝1,2,
···
,N；步骤4、根据初始化的结构参数，建立第i段热平衡方程式和传热方程式，并确定第i段换热器结构尺寸，初始时i＝1；步骤5、根据所述步骤4确定的第i段换热器结构尺寸，设置单元数，建立单元数内结构参数与流动阻力之间的关系；步骤6、由所述步骤5建立的单元数内结构参数与流动阻力之间的关系，建立分布参数校核非线性方程组，并求解非线性方程组，当计算容差小于阈值时，输出第i段校核后实际压降ΔP
i
、出口温度T
′
i
和流体状态参数；如果i<N，则i＝i+1，并计算P
i+1
＝P
i
‑
ΔP
i
，T
i+1
＝T
′
i
，P为压力，T为温度，i为计算分段，返回步骤4；如果i＝N，则执行步骤7；步骤7、获得换热器各段尺寸L
i
，并计算步骤1确定的多目标函数；步骤8：对多目标函数进行拥挤度计算m为同一层个体的数量，f
ts+1
和f
ts
‑1是与第s个个体在第t个目标值下相距最近的两个目标值，并进行非支配排序；步骤9：采用遗传算子通过选择、交叉、变异产生新的结构参数种群子代x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]
′
i
；步骤10：父代种群x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]
i
与子代x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]
′
i
合并产生新一代结构参数种群x
i
＝[x1,x2,
···
x
n
]
″
i
以优化种群结构，使Gen＝Gen+1，并返回步骤4并依次构成优化校核同步循环，直到迭代次数Gen＝Max时，输出强变流体换热器优化变量及对应的Pareto解集。2.根据权利要求1所述的多目标优化与校核同步的强变流体换热器设计方法，其特征在于，所述多目标函数为影响换热器尺寸的体积和换热器性能的改进熵产数，体积：F1＝V＝L
×
W
×
H；式中：L为长度，H为高度，W为宽度改进熵产数：式中N
sl

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋庆峰，潘崇耀，陈育平，谷家扬，蒋志勇，焦晨，沈妍，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：