[發(fā)明專利]印刷電路板式換熱器的翼型翅片排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210328892.2
• 申請(qǐng)日: 2022-03-30
• 公開（公告）號(hào): CN114741961A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王嘉冰;曾琳瑯;楊昆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/27
• 分類號(hào): G06F30/27;G06F30/392;G06F115/12
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 尹麗媛

本發(fā)明公開了一種印刷電路板式換熱器的翼型翅片排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)，屬于印刷電路板制造技術(shù)領(lǐng)域，所述方法包括：將翼型翅片的排列幾何參數(shù)無(wú)量綱化，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值仿真得到樣本集；將樣本集中的訓(xùn)練集輸入努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)對(duì)應(yīng)的代理模型；基于改進(jìn)粒子群算法對(duì)二者初始值賦值，分別進(jìn)行訓(xùn)練得到代理模型；以最大化努賽爾數(shù)和最小化阻力系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，采用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)訓(xùn)練后的兩個(gè)代理模型進(jìn)行優(yōu)化確定出Pareto前沿集；采用多目標(biāo)決策方法獲取最優(yōu)妥協(xié)解，并利用其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化變量?jī)?yōu)化翼型翅片排列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有翼型翅片排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中存在的幾何優(yōu)化參數(shù)固定及入口速度范圍受限、優(yōu)化效率低等難點(diǎn)問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于印刷電路板制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種印刷電路板式換熱器的翼型翅片排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

印刷電路板式換熱器(Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE)是一種新型緊湊高效的板式換熱器，是由英國(guó)Heatric公司研制成功并已商業(yè)化生產(chǎn)，芯體采用光化學(xué)蝕刻工藝在換熱板上蝕刻出微細(xì)通道，然后利用擴(kuò)散焊接技術(shù)將流道擴(kuò)散黏合疊加而成，換熱芯體具有與原材料相同的力學(xué)性能，能夠承受高溫高壓的極端運(yùn)行工況。已廣泛應(yīng)用于海上天然氣及油氣加工、浮式液化天然氣裝置、高溫反應(yīng)堆中間冷卻器和超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)換熱器等領(lǐng)域。

PCHE通道內(nèi)流體的流動(dòng)行為復(fù)雜，有著多處的漩渦和逆流等狀態(tài)，提高流體的傳熱性能，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)更大的壓降?，F(xiàn)有研究表明：工作流體的類型、流道幾何形狀和流道內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)均會(huì)對(duì)PCHE的流動(dòng)和換熱性能產(chǎn)生影響。PCHE通道類型一般分為兩類：連續(xù)性和非連續(xù)型。連續(xù)型通道主要有直通道、Z型通道、S型通道，通道截面形狀主要有半圓形、矩形、三角形、梯形。非連續(xù)型通道主要有非連續(xù)型的S型肋片和非連續(xù)型的翼型肋片，肋片主要通過(guò)增大傳熱面積和流道內(nèi)的擾動(dòng)來(lái)影響換熱器的流動(dòng)與換熱特性。

為獲得PCHE通道內(nèi)翼型翅片的最佳排列形式，目前較為常規(guī)的優(yōu)化方法是采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，研究不同翼型翅片排列方式對(duì)通道內(nèi)換熱和壓降的影響。然而，現(xiàn)有研究主要針對(duì)優(yōu)化變量(水平距離、垂直距離、交錯(cuò)距離)在預(yù)先給定的若干固定參數(shù)下進(jìn)行，通過(guò)對(duì)比獲得優(yōu)化的翅片排列幾何參數(shù)組合，而無(wú)法在一定參數(shù)變化范圍內(nèi)尋優(yōu)，因此翅片排列結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明通過(guò)驅(qū)動(dòng)尺寸和幾何約束條件結(jié)合的方法對(duì)翼型翅片PCHE進(jìn)行參數(shù)化三維建模，并結(jié)合CFD、代理模型及多目標(biāo)優(yōu)化算法，可實(shí)現(xiàn)在一定參數(shù)范圍進(jìn)行優(yōu)化，而不是針對(duì)預(yù)先給定的若干固定參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)直接將幾何參數(shù)作為優(yōu)化變量，針對(duì)特定的入口速度或流量進(jìn)行優(yōu)化，具有一定的局限性。本發(fā)明將相關(guān)幾何參數(shù)無(wú)量綱化得到無(wú)因次優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，依據(jù)相似原理可擴(kuò)展到不同幾何尺寸、不同入口速度下的換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，現(xiàn)有優(yōu)化方法過(guò)分依賴數(shù)值仿真而不具通用性，本發(fā)明采用代理模型可以代替大量的數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程，節(jié)約計(jì)算資源，縮短優(yōu)化周期，提高優(yōu)化過(guò)程的效率。常用代理模型為響應(yīng)曲面法和Kriging法，本發(fā)明采用的是基于改進(jìn)粒子群算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的非線性擬合能力，預(yù)測(cè)精度更高。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種印刷電路板式換熱器的翼型翅片排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和系統(tǒng)，其目的在于，通過(guò)對(duì)翼型翅片的相關(guān)幾何參數(shù)無(wú)量綱化作為無(wú)因次優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，依據(jù)相似原理可擴(kuò)展到不同幾何尺寸、不同入口速度下的換熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用優(yōu)化變量訓(xùn)練努賽爾數(shù)和阻力系數(shù)各自對(duì)應(yīng)的代理模型，代替大量數(shù)值計(jì)算，有利于提高優(yōu)化效率，然后采用多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)訓(xùn)練后的兩個(gè)代理模型進(jìn)行優(yōu)化確定出優(yōu)化變量對(duì)應(yīng)Pareto前沿集，從而獲取設(shè)計(jì)所述翼型翅片排列結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的無(wú)因次優(yōu)化變量ζ_s'、ζ_h'和ζ_v'；由此解決了現(xiàn)有翼型翅片排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法中存在的幾何優(yōu)化參數(shù)固定及入口速度范圍受限、優(yōu)化效率低等難點(diǎn)問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種印刷電路板式換熱器的翼型翅片排列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，包括：