螺旋纏繞扭曲管換熱器數(shù)值模擬與多目標優(yōu)化研究.pdf

1、本文受國家自然科學基金“基于流體拓撲優(yōu)化方法的新型換熱器強化傳熱和流動減阻機理研究”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)流動分層的缺陷。文中以水為介質(zhì)進行實驗，驗證數(shù)值計算方法的準確性，并運用已驗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行多目標優(yōu)化研究，從而得到了管程和殼程的最優(yōu)設計參數(shù)，同時分析各設計參數(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：
　　（1）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)部的流動狀態(tài)和傳熱流阻特性。以飽和水蒸汽和冷卻水作為流動介質(zhì)進行實驗，并以1:1的比例建立模型，分別對管程和殼程進行數(shù)值計算。通過對多組工況下的實驗值和模擬值進行對比分析得到以下結(jié)論：當管程和殼程分別通入飽和水蒸汽以及冷卻水時，水側(cè)壓降的實驗值和模擬值誤差在21％之內(nèi)，努塞爾數(shù)的實驗值和模

3、擬值誤差在3%之內(nèi)。綜合比較發(fā)現(xiàn)實驗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)的實驗值和模擬值之間誤差較小，誤差區(qū)間在允許的范圍內(nèi)，驗證了數(shù)值模擬方法的準確性、可靠性。
　?。?）對螺旋纏繞扭曲管進行基于遺傳因子的多目標優(yōu)化研究，設定雷諾數(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)和最大綜合評價指標作為優(yōu)化目標，得到了各個優(yōu)化參數(shù)對優(yōu)化目標的靈敏度柱狀圖和響應面圖。對優(yōu)化結(jié)果進行最優(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附近時換熱性能指標較優(yōu)，相應的努塞爾數(shù)大于800，阻力系數(shù)小于0.042，綜合評價指標大于2400。
　?。?）建立多層優(yōu)化模型，對螺旋纏繞扭曲管換熱器殼程進行多目標優(yōu)化研究。最優(yōu)參數(shù)分析過程中，從2000個樣本點中選取出3個較優(yōu)結(jié)構(gòu)，并進行結(jié)構(gòu)圓整。在考慮工程實用性基礎(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