基于變密度法的換熱器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究.pdf

1、換熱器作為量大面廣的通用工藝設(shè)備，其強(qiáng)化換熱技術(shù)的研究及新型高效換熱器的開(kāi)發(fā)對(duì)緩解能源危機(jī)問(wèn)題意義重大。本文基于變密度法和 MMA優(yōu)化算法通過(guò)COMSOL Multiphysics仿真軟件平臺(tái)對(duì)換熱器進(jìn)行恒定輸入功率下二維結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，研究拓?fù)鋬?yōu)化方法在換熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的適用性和影響因素。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　?。?）采用多孔介質(zhì)假設(shè)，以材料密度為設(shè)計(jì)變量，結(jié)合 Brinkman模型和N-S方程建立換熱器拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域流

2、動(dòng)模型，將引入的虛擬體積力項(xiàng)進(jìn)行變密度法材料插值，以區(qū)分流體區(qū)域和固體區(qū)域；然后通過(guò)材料密度分別建立優(yōu)化區(qū)域在定溫和定熱流熱邊界條件下的傳熱模型；引入一個(gè)表達(dá)輸入功率的積分方程，得到入口壓力與雷諾數(shù)的三次方成正比的關(guān)系?；谕?fù)鋬?yōu)化理論綜合分析建立了兩類(lèi)熱邊界條件下的換熱器拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，定溫?zé)徇吔鐥l件下的目標(biāo)函數(shù)為邊界條件下的目標(biāo)函數(shù)為max H=∫D（1-γ）β（1-Τ*）dΩ，即無(wú)量綱熱源放熱量最大；定熱流熱邊界條件下的目標(biāo)函數(shù)

3、為min H2=1/V*∫D（1-γ）β（1-Τ*）dΩ，即固體區(qū)域平均溫度最小。
　?。?）采用MMA優(yōu)化算法在COMSOL軟件中對(duì)定溫?zé)徇吔鐥l件下優(yōu)化區(qū)域的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行可視化編程，然后進(jìn)行靈敏度分析和模擬仿真計(jì)算，得到了光滑且分界清晰明顯的流道結(jié)構(gòu)，證明了算法的有效性和正確性；考核分析了不同網(wǎng)格和懲罰因子對(duì)優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)、目標(biāo)函數(shù)及迭代步數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)不同網(wǎng)格數(shù)量下的優(yōu)化結(jié)果具有相似性，但網(wǎng)格數(shù)量過(guò)小得到的結(jié)構(gòu)存在灰度單元現(xiàn)象，

4、過(guò)大流道邊緣粗糙呈鋸齒狀；懲罰因子太小出現(xiàn)的較多中間狀態(tài)區(qū)域，q過(guò)大導(dǎo)致計(jì)算不收斂。綜合考慮計(jì)算準(zhǔn)確度和計(jì)算時(shí)間，取網(wǎng)格數(shù)量為5200，懲罰因子為0.02進(jìn)行后續(xù)分析計(jì)算。
　?。?）計(jì)算分析不同無(wú)量綱熱源產(chǎn)熱系數(shù)β、固體體積比V*隨雷諾數(shù)Re的變化對(duì)流道結(jié)構(gòu)、目標(biāo)函數(shù)值、速度分布云圖和溫度分布云圖產(chǎn)生的影響，得到拓?fù)鋬?yōu)化在換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)均衡考慮的三大因素為：輸入功率、高溫固體熱源放熱量和固體體積比，這些因素是導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果中流

5、道分布差異的主要原因。在給定換熱量的條件下，Re數(shù)越大，換熱流道的分支越多，換熱效果越好；當(dāng)Re數(shù)超過(guò)某個(gè)數(shù)值時(shí)，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)趨于相對(duì)穩(wěn)定，但是分支流道內(nèi)部的流速會(huì)增加。在相同輸入功率下，無(wú)量綱熱源產(chǎn)熱系數(shù)β越大，優(yōu)化空間內(nèi)部的流道分布越復(fù)雜，工質(zhì)與固體接觸處會(huì)產(chǎn)生熱量富集；而較高β值時(shí)為增強(qiáng)換熱效果增大Re數(shù)，增加的流道分支會(huì)靠近優(yōu)化區(qū)域的后半段分布。同時(shí)在相同輸入功率下，固體體積比 V*越大，分支流道數(shù)量驟減，流道布置和各分支流道寬