螺旋纏繞扭曲管換熱器數(shù)值模擬與多目標(biāo)優(yōu)化研究.pdf

1、本文受國家自然科學(xué)基金“基于流體拓?fù)鋬?yōu)化方法的新型換熱器強(qiáng)化傳熱和流動(dòng)減阻機(jī)理研究”資助（編號：21576245）。對提出的新型換熱器結(jié)構(gòu)“螺旋纏繞扭曲管換熱器”進(jìn)行研究，有效的提升了換熱系數(shù)，并解決了普通螺旋纏繞管換熱器管內(nèi)流動(dòng)分層的缺陷。文中以水為介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，并運(yùn)用已驗(yàn)證的模擬方法對螺旋纏繞扭曲管換熱器的管程和殼程分別進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究，從而得到了管程和殼程的最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對傳熱和流阻性

2、能的影響。本文主要內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）選取適合本文研究內(nèi)容的數(shù)值模擬方法，通過與螺旋纏繞圓管和螺旋纏繞扁管的對比分析研究螺旋纏繞扭曲管內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱流阻特性。以飽和水蒸汽和冷卻水作為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并以1:1的比例建立模型，分別對管程和殼程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。通過對多組工況下的實(shí)驗(yàn)值和模擬值進(jìn)行對比分析得到以下結(jié)論：當(dāng)管程和殼程分別通入飽和水蒸汽以及冷卻水時(shí)，水側(cè)壓降的實(shí)驗(yàn)值和模擬值誤差在21％之內(nèi)，努塞爾數(shù)的實(shí)驗(yàn)值和模

3、擬值誤差在3%之內(nèi)。綜合比較發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)值和模擬值之間具有很高的契合度，特別是出口溫度和努塞爾數(shù)的實(shí)驗(yàn)值和模擬值之間誤差較小，誤差區(qū)間在允許的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性、可靠性。
　?。?）對螺旋纏繞扭曲管進(jìn)行基于遺傳因子的多目標(biāo)優(yōu)化研究，設(shè)定雷諾數(shù)、纏繞半徑、扭距、螺距和長半軸長度為優(yōu)化參數(shù)，將最大努塞爾數(shù)、最小阻力系數(shù)和最大綜合評價(jià)指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，得到了各個(gè)優(yōu)化參數(shù)對優(yōu)化目標(biāo)的靈敏度柱狀圖和響應(yīng)面圖。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)參

4、數(shù)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：速度7.2m/s、纏繞半徑65mm、螺距100mm、長半軸長度11mm、扭距140mm附近時(shí)換熱性能指標(biāo)較優(yōu)，相應(yīng)的努塞爾數(shù)大于800，阻力系數(shù)小于0.042，綜合評價(jià)指標(biāo)大于2400。
　?。?）建立多層優(yōu)化模型，對螺旋纏繞扭曲管換熱器殼程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化研究。最優(yōu)參數(shù)分析過程中，從2000個(gè)樣本點(diǎn)中選取出3個(gè)較優(yōu)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)圓整。在考慮工程實(shí)用性基礎(chǔ)上，在參數(shù)取值范圍之內(nèi)換熱器殼程的最優(yōu)參數(shù)為纏繞半徑R=50