[发明专利]一种多通道板式换热器进出口设计方法

说明书

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。

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。