基于遗传算法的非对称翼形翅片印刷电路板式换热器优化设计.pdf
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1、为了研究结构参数和入口雷诺数对非对称翼形翅片印刷电路板式换热器性能的影响,首先基于计算流体力学对简化的非对称翼形翅片 进行三维数值模拟,通过拟合计算结果得出了误差分别在 和 以内的努塞尔数 和摩擦系数 的经验准则式;然后,采用一维分析方法来计算全尺寸 (不对换热器模型进行简化)的体积、换热量和压降等参数;最后,将全尺寸 单位体积的换热量()和总压降()作为目标函数,将翅片横向间距、翅片厚度和入口雷诺数作为设计变量,结合 算法进行多目标优化设计。研究结果表明,与翅片横向距离为 时相比,当翅片横向距离为 时,换热器的 最大可增加 ,最大可增加 ;与翅片厚度为 时相比,当翅片厚度为 时,换热器的 最
2、大可增加 ,最大可增加 ;与本文所研究的其他结构参数的非对称翼形翅片 综合对比,使用 翼形翅片的 具有最佳的性能。所得结论对于非对称翼形翅片 的应用具有一定指导意义。关键词:非对称翼形翅片;遗传算法;印刷电路板式换热器();一维分析;多目标优化设计中图分类号:;文献标志码:,(,;,;,):(),(),()(),(),王丹,等:基于遗传算法的非对称翼形翅片印刷电路板式换热器优化设计 :;();引言清洁能源的开发及利用与现代化国家的可持续发展战略息息相关,以超临界二氧化碳()为工作介质的布雷顿动力循环具有无污染、高效等特点,吸引了许多学者的关注。在已提出的 布雷顿动力循环中,再压缩布雷顿循环是最
3、安全、最稳定的一种循环形式 。再压缩布雷顿循环中主要有两种设备:涡轮设备(主压缩机、再压缩机及汽轮机)和换热器(预冷器、低温回热器、高温回热器及中间换热器)。印刷电路板式换热器()能够承受高温高压的工况条件 ,最适合用做再压缩布雷顿循环中的回热器。最早的 传热核心是由半圆截面的直流道传热板片组成,这些传热板片的流道是通过化学蚀刻生成,并通过扩散焊结合在一起。由于直流道 的传热能力相对较低,学者们提出了 形流道,然而 形流道优越的传热能力是以极大的增加压降为代价获得的。后来,有学者设计了类似于板翅式换热器流道结构的新型 流道结构以改善流体的流动状况。等 提出在 中使用 形翅片,研究表明,在保持相
4、同的单位体积换热量的情况下,形翅片的 的压降比 形流道低 。等 通过数值模拟的方法分析了基于美国国家航空委员会开发的 翼形翅片的 的流动和传热特性,结果表明,在保持相同的单位体积换热量的情况下,翼形翅片 的压降比 形流道低 。由于翼形翅片 与 流道 相比具有更好的热工水力性能,有学者在此基础上又提出了开槽翼形翅片 、剑鱼形翅片 、菱形翅片 等,这些新型翅片的几何结构沿流体流动方向均保持对称。等 对非对称翼形翅片(翅片几何结构沿流体流动方向不对称)的性能进行了数值模拟分析,结果表明,使用非对称翼形翅片的 比使用对称翼形翅片的 具有更好的传热性能。等 研究了非对称翼形翅片的排列方式和攻角对 性能的
5、影响,结果表明,翅片的水平间距和攻角对 综合性能的影响最大。等 设计了一个 试验回路来测试 非对称翼形翅片 的性能,并拟合了误差小于 的努塞尔数和摩擦系数的经验准则式。由以上可以看出,目前关于非对称翼形翅片 用作 再压缩循环中的回热器时的研究相对较少,特别是在评估全尺寸 的性能时,需要使用关于努塞尔数和摩擦系数的经验准则式。然而,在已发表的文献中,经验准则式大多数是针对连续型流道 提出的,关于非对称翼形翅片 的经验准则式较少,且适用范围有限 。因此,本文针对非对称翼形翅片 进行了正交试验设计,获得适当数量的、具有代表性的样本点来拟合努塞尔数和摩擦系数的经验准则式;通过多目标优化设计,使用横向距
6、离、翅片厚度和入口雷诺数作为设计变量,换热器单位体积的换热量和总压降作为目标函数,来评估全尺寸非对称翼形翅片 的性能。该研究对于非对称翼形翅片 的应用具有一定指导意义。数学模型 几何模型及边界条件本文采用 进行数值模拟计算,图 示出非对称翼形翅片 的几何模型,包括固体和流体两个计算域。冷、热两侧的流体为逆流流动,每块板片上布置 个翅片。图 ()中的,和 分别代表翅片横向距离、交错距离和纵向距离。为了使流体流动充分发展并消除出口处的回流对计算的影响,计算模型在冷、热流体进出口处分别添加长度为 的延长段,并且设置延长段不与外界进行热量传递(绝热)。将计算模型 坐标方向上的上、下表面,坐标方向上的左
7、、右表面设置为周期壁面,上、下板片的厚度为中间板片厚度的 。,()三维视图()主视图图 非对称翼形翅片 几何模型示意 单个非对称翼形翅片的几何结构和翼形翅片型号示意如图 所示,其中相对弯度值等于最大弦距()与弦长()之比乘以 ;相对厚度值等于翅片厚度()与弦长()之比乘以 。通常根据相对弯度值是否等于 来对翼形翅片进行分类。具体来说,相对弯度值等于 的翅片被称为对称翼形翅片 ,相对弯度值不等于 的翅片被称为非对称翼形翅片 。图 翼形翅片几何结构 设置边界条件如下:入口处分别给定冷、热流体的质量流量,冷、热流体入口质量流量相同,出口压力分别设为 和 。为了使拟合的经验准则式适用范围更广,冷、热流
8、体的入口温度共设置 种工况条件:工况 为 和 ;工况为 和 ;工况为 和 ;工况 为 和 。固体材料为不锈钢 ,其密度、比热容和导热系数分别为 ,()和 (),使用集成的真实气体模型来获得 的物性参数。网格划分及无关性验证模型计算域的网格如图 所示,整个计算域中采用的均是结构化六面体网格。本文计算采用的是 湍流模型,该模型要求边界层网格值小于 ,因此对翼形翅片周围的边界层网格进行细化处理。流体域遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。对模型进行网格无关性验证,以其中一个计算模型为例,计算结果如图 所示。()网格主视图()边界层网格图 计算域网格示意 图 计算模型网格无关性验证 由图 可知,当计算
9、模型网格总数大于 时,计算得到的 和 的值变化极小。因此,本文模型选择此网格数时的设定:传热板片和两种流体的网格尺寸为 ,翼形翅片的网格尺寸王丹,等:基于遗传算法的非对称翼形翅片印刷电路板式换热器优化设计为 ,翼形翅片周围建立 层边界层网格,第层为 ,增长率为 。当连续性方程、动量方程的残差小于 ,能量方程的残差小于 ,冷、热流道的压降残差均小于 ,认为计算收敛。数据处理参考 等 的数据处理方法,按照流道的总长度,从第一个翅片中间位置开始为第 个截面,沿流体流动方向建立 个间距为 的等距截面,之后在 软件中获得每个截面的参数,即局部参数。局部雷诺数由下式计算:()其中:()式中,为局部雷诺数;
10、为流体 质 量 流量,;为 水 力 直 径,;为 流 体 黏 度,();为截面积,;为流体体积,;为流固共轭传热面的面积,。局部摩擦系数由下式计算:()式中,为局部摩擦系数;,为流道入口和局部截面处的压力,;为流体密度,;为流体速度,;为流体入口到局部截面处的流道长度,。局部努塞尔数由下式计算:(,)()式中,为局部努塞尔数;为热通量,;为导热系数,();,为流固共轭传热面的平均温度和流体的平均温度,。在进行经验准则式拟合时,整体参数 ,和 通过对局部参数 ,和 求平均值所得,即:,(),(),()式中,下标 为第 个局部参数。数值模型验证为了证明本文数值计算方法的准确性,参考 等 通过试验得
11、出的 经验关联式进行了数值方法验证工作。文献 的试验对象为 翼形翅片 ,冷流体为水、热流体为 。根据试验模型建立了仅考虑 流体的周期简化模型,在壁面施加恒热流密度边界条件来进行数值模拟。算例 的热流密度值均为 ,流体出口压力均为 ,算例的其余边界条件及结果的对比见表 。表 数值模拟结果与经验关联式对比 算例入口质量流量()入口温度 模拟值 经验关联式值相对误差()文献 中提出的 经验关联式的普朗特数和雷诺数范围分别为 和 ,算例 的普朗特数和雷诺数范围分别为 和 ,均在准则式适用范围之内。由表 可以看出,模拟结果与准则式的最大误差为 。由于文献 仅对 的传热性能进行了研究,需要进一步验证本文数
12、值方法在计算非连续流道 流动性能时的准确性。然而,目前公开文献中以 为工作介质的流动性能试 ,验大多是针对连续流道 开展的,少有的针对非连续流道 进行的试验也存在相关参数不完整、试验模型难以简化的问题。因此,参考 等 通过数值计算得到的 流体在 翼形翅片 中的流动性能结果进行对照工作。建立与文献 相同的周期简化模型,模型包括 个热流体和 个冷流体流道,所有算例的热流体入口质量流量均为 ,冷、热流体入口温度分别设置为 和 ,冷、热 流 体 出 口 压 力 分 别 设 置 为 和 ,摩擦系数 随冷流体入口质量流量的变化及计算结果对比见表 。表 摩擦系数 数值模拟结果与文献结果对比 算例冷流体入口质
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