CN107679294A - 一种多通道板式换热器进出口设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CFD、代理模型、曲线参数化方法及优化算法的多通道板式换热器进出口设计方法，先根据传统换热器设计方法及应用要求确定板式换热器的基本结构参数，然后通过选用合理的曲线表达式，对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化，运用LHS方法设计样本点，对各样本点对应的换热器结构在运行工况下实施CFD计算获得样本数据，根据样本数据建立流量分布、流动阻力的代理模型，并运用优化算法对代理模型在设计空间内进行寻优。本发明的设计方法能准确而高效的完成多通道板式换热器进出口的优化设计，减小换热器进出口区域复杂流道结构对流量分配的影响，从而提高流动均匀性，减小流动阻力，改善换热器综合性能。

Description

一种多通道板式换热器进出口设计方法

技术领域

本发明属于换热器设计领域，具体涉及一种多通道板式换热器进出口设计方法。

背景技术

多通道板式换热器普遍存在流量分配均匀性问题，现有研究表明流量的不均匀分配对换热器的流动传热性能具有显著的负面影响。实际上，粗糙的进出口设计往往造成或加剧了换热通道流动的不均匀性。而目前针对多通道换热器进出口设计主要根据设计者的经验，缺乏统一有效的设计方法。

国内外研究者从进出口结构改进的角度，对许多不同类型的换热器实现了流动均匀性优化。但针对板式换热器层内多通道结构，缺乏具有普遍性的设计方法。实际上对于板式换热器层内的多通道结构，各通道壁面起始位置对流量分配产生直接影响，尤其当入口段几何结构存在较大变化或当流体流线与换热通道存在明显夹角时，各通道壁面的布置对流动均匀性的影响更加显著。因此通过调整进出口附件各通道的壁面布置可以实现流量分配的整体与局部控制。而当通道数较多时，对所有通道壁面位置同时进行优化需要处理的变量过多，所以可以借助一定的参数化型线设计方法，直接对各个通道壁面起点位置连接形成的曲线进行优化设计，根据优化得到的曲线确定所有通道壁面起点位置，即由线定点。

目前随着CFD技术在工程设计中的广泛应用，CFD数值模拟已成为换热器设计中的重要辅助手段。而代理模型,是指在尽可能维持结果可靠性的前提下构建的计算量相对较小，计算周期较短,但计算结果与数值模拟或实验结果相近的近似模型，同时又具有易于同优化算法相结合的特点，有利于提高设计效率。

因此，针对板式换热器流层内的多通道结构，可以结合CFD、代理模型、曲线参数化方法及优化算法提出通用的多通道板式换热器进出口设计方法。

发明内容

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

1)根据给定的热力参数，按照传统换热器设计方法确定板式换热器的基本结构参数，确定换热通道长度、宽度、高度；确定集管直径、导流段长度等，各通道壁面起点位置统一沿流动方向对齐；

2)选用合理的曲线表达式，对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化，从而确定优化参数，进出口各通道壁面保持中心对称；

3)运用LHS方法设计一定数量的样本点，对各样本点对应的换热器结构在运行工况下实施CFD计算，得到各样本结构中各通道流量具体分布，并计算流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂；

4)根据样本数据，针对流量分布和流动阻力分别建立关于各个参数的代理模型，用于预测流量分布和流动阻力；

5)根据建立的代理模型，以流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂加权平均F为目标函数，流动均匀性运用优化算法在设计空间内寻优得到最优的通道壁面布置方案；

6)对最优点进行CFD验证，若指标f₁或f₂代理模型预测值与CFD计算结果相对误差超过10％，则将此数据点作为新的样本补充进入样本数据，重复步骤3)，4)，5)，6)，直到误差满足要求；

7)若当前最优点均匀性、阻力满足要求，则完成设计，否则调整集管直径，导流段长度等参数，重复步骤2)，3)，4)，5)，6)直至均匀性、阻力满足要求。

所述步骤2)中的优化参数通过对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化而确定，每一组优化参数通过它对应的曲线确定所有通道壁面起点位置。

所述步骤2)中的曲线参数化方法包括Bezier样条、B样条方法等。

所述步骤3)、5)中的流动均匀性指标f₁、流动阻力指标f₂及综合指标F分别取为：

f₂＝Δp

F＝w₁f₁+w₂f₂

其中N为通道数量，Q_i为序号i的通道流量占总流量的比例，Δp为进出口压损，w₁、w₂为流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂各自权重。

所述步骤4)中的代理模型包括RBF神经网络、BP神经网络、KRG插值模型等。

所述步骤5)中的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、蚁群算法或模拟退火算法等。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提出的多通道换热器进口设计方法，通过将CFD技术、代理模型、曲线参数化方法及优化算法等耦合，直接对各个通道壁面起点位置连接形成的曲线进行优化，能够准确、快速地完成多通道换热器进出口的设计，减小换热器进出口区域复杂流道结构对流量分配的影响，从而改善流动均匀性，减小流动阻力，提高换热器综合性能。而现有的换热器进出口优化方法往往局限于特定的换热器结构型式。因此，本发明的设计方法与现有的进出口优化方法相比，具有较强的通用性，实用性。

附图说明

图1是多通道板式换热器结构示意图；

图2是本发明设计方法流程图。

其中：1：热流体入口集管。2：热流体出口集管。3：冷流体入口集管。4：冷流体出口集管。5：换热通道。6：导流段。

具体实施方式

本发明提到的设计方法包括以下步骤：

1)根据给定的热力参数，按照传统换热器设计方法确定板式换热器的基本结构参数，所述结构参数包括但是不限于换热通道长度、宽度、高度、确定集管直径、导流段长度，各通道壁面起点位置统一沿流动方向对齐(连线垂直于流动方向)；

2)选用合理的曲线表达式，对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化，从而确定优化参数，进出口各通道壁面保持中心对称；

3)运用拉丁超立方试验设计(LHS)方法设计一定数量的样本点，对各样本点对应的换热器结构在运行工况下实施CFD计算，得到各样本结构中各通道流量具体分布，并计算流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂；

4)根据样本数据，针对流量分布和流动阻力分别建立关于各个参数的代理模型，用于预测流量分布和流动阻力；

5)根据建立的代理模型，以流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂加权平均F为目标函数，流动均匀性运用优化算法在设计空间内寻优得到最优的通道壁面布置方案；

6)对最优点进行CFD验证，若指标f₁或f₂代理模型预测值与CFD计算结果相对误差超过10％，则将此数据点作为新的样本补充进入样本数据，重复步骤3)，4)，5)，6)，直到误差满足要求；

7)若当前最优点均匀性、阻力满足要求，则完成设计，否则调整集管直径，导流段长度等参数，重复步骤2)，3)，4)，5)，6)直至均匀性、阻力满足要求。

所述步骤2)中的优化参数通过对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化而确定，每一组优化参数通过它对应的曲线确定所有通道壁面起点位置。

所述步骤2)中的曲线参数化方法包括Bezier样条和B样条方法等。以Bezier样条曲线为例，其通过给定若干控制点确定曲线，表达式为：

其中P_i为控制点坐标，t为参变量，在本设计方法中，共取n+1个控制点P_i(i＝0,1,2…n)，其中P₀、P_n位置固定，分别对应t＝0，t＝1，除此之外，以流动方向为y轴，垂直于流动方向为x轴，一般沿x轴等距布置若干控制点,各控制点横坐标固定，以各控制点纵坐标为变量作为设计变量。

所述步骤3)、5)中的流动均匀性指标f₁、流动阻力指标f₂及综合指标F分别取为：

f₂＝Δp

F＝w₁f₁+w₂f₂

其中N为通道数量，Q_i为序号i的通道流量占总流量的比例，Δp为进出口压损,w₁、w₂为流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂各自权重。

所述步骤4)中的代理模型包括RBF神经网络、BP神经网络、KRG插值模型等。以径向基神经网络为例，可以采用已有的matlab调用命令为：[net,tr]＝newrb(P,T,Goal,Spread,MN,DF)。其中，P为样本数据输入矩阵，T为样本数据输出矩阵，Goal为均方误差目标，Spread为径向基函数扩展速度，MN为最大神经元数目，DF为两次显示间增加的神经元数，net为返回的径向基神经网络，tr为训练记录。

所述步骤5)中的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、蚁群算法或模拟退火算法等，这些算法一般通过编写计算程序或直接调用Matlab等计算软件中的命令实现。

Claims (5)

1.一种多通道板式换热器进出口设计方法，其特征在于，通过曲线参数化方法对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化，使每一组优化参数通过它对应的曲线确定所有通道壁面起点位置，具体包括以下步骤：

1)根据给定的热力参数，按照传统换热器设计方法确定板式换热器的基本结构参数，确定换热通道长度、宽度、高度；确定集管直径、导流段长度等，各通道壁面起点位置统一沿流动方向对齐；

2)选用合理的曲线表达式，对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化，从而确定优化参数，进出口各通道壁面保持中心对称；

3)运用LHS方法设计一定数量的样本点，对各样本点对应的换热器结构在运行工况下实施CFD计算，得到各样本结构中各通道流量具体分布，并计算流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂；

4)根据样本数据，针对流量分布和流动阻力分别建立关于各个参数的代理模型，用于预测流量分布和流动阻力；

5)根据建立的代理模型，以流动均匀性指标f₁及阻力指标f₂加权平均F为目标函数，流动均匀性运用优化算法在设计空间内寻优得到最优的通道壁面布置方案；

6)对最优点进行CFD验证，若指标f₁或f₂代理模型预测值与CFD计算结果相对误差超过10％，则将此数据点作为新的样本补充进入样本数据，重复步骤3)，4)，5)，6)，直到误差满足要求；

7)若当前最优点均匀性、阻力满足要求，则完成设计，否则调整集管直径，导流段长度等参数，重复步骤2)，3)，4)，5)，6)直至均匀性、阻力满足要求。

2.根据权利要求1)所述的多通道板式换热器进出口设计方法，其特征在于：所述步骤2)中的优化参数应通过对各通道壁面起点位置连接曲线进行参数化而确定，每一组优化参数通过它对应的曲线确定所有通道壁面起点位置。

3.根据权利要求1)所述的多通道板式换热器进出口设计方法，其特征在于：所述步骤2)中的参数化方法采用的曲线形式包括Bezier样条、B样条曲线等。

4.根据权利要求1)所述的多通道板式换热器进出口设计方法，其特征在于：所述步骤4)中的代理模型包括RBF神经网络、BP神经网络、KRG插值模型等。

5.根据权利要求1)所述的多通道板式换热器进出口设计方法，其特征在于：所述步骤5)中的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、蚁群算法或模拟退火算法等。