基于反问题的强化对流换热优化研究

Combines the conjugate gradient method with entransy dissipation extremum principle, the inverse problem and optimization for convection heat transfer will be investigated. The main research contents are as follows: (1) to inverse the upstream flow structure and shape, size, pitch and arrangement method of turbulators based on the objective function of downstream flow structure; (2) to inverse the flow structure on the related position and upstream geometric features of turbulators based on the needed temperature distribution in fluid or solid or heat transfer characteristic; (3) to inverse and optimize the geometric features of turbulators based on the objective function of entransy dissipation extremum. To deal with the problem that the uncertainty of the inverse convection heat transfer solutions , the adopted method is: the solution is considered unique if a same shape could be obtained through two different original shapes. The PIV and heat transfer experiments will be carried out to examine the theoretical results. The flow structure and heat transfer characteristic of designed turbulators will measured. The project is worth studying since some theoretical and practical problems will be solved.

将共轭梯度法与（火积）耗散极值原理相结合，开展对流换热反问题和优化研究。研究内容包括：以下游流动结构为目标函数，反演上游流动结构和扰流元（包括我发生器和壁面突起）的几何特征，包括形状、尺寸、间距或布置方式等；根据实际换热问题，以要求的固体或流体内的温度分布或换热特性为目标函数，反演对应位置的流体流动结构和上游扰流元几何特征；以（火积）耗散极值为目标函数，反演优化流动结构和扰流元几何特征。由于流动的非线性与复杂性，对流换热反问题存在解的唯一性问题，拟采用的研究方案是：在相同的目标函数条件下，以不同的初始形状进行反演，若能获得相同的反演形状，则认为解具有唯一性。开展PIV实验和换热实验，验证对流换热反问题研究结论。设计加工扰流元结构，测量流动结构，分析换热效果，提出实际应用方案。项目解决理论和工程实际问题，具有研究价值。

本项目考虑对流扩散效应，以流动结构、换热表面温度限制或综合换热效果为目标，采用共轭梯度法反演扰流元结构、尺寸和布置形式或换热表面几何形状。主要研究内容从以下四方面展开：（1）以二次流动结构为目标，采用反问题研究思想，确定扰流元结构、尺寸与布置方式；（2）以加热表面温度分布或综合强化换热效果最优为目标，通过反演算法确定扰流元结构、尺寸与布置方式；（3）以消除流动死区为目标，通过反演确定扰流元结构、尺寸与布置方式；（4）设计并完成PIV实验与强化换热实验，证明反问题的研究结论。根据理论研究的结论，设计扰流元结构形式、尺寸与布置形式，测量断面二次流流动结构，分析强化换热效果，与理论研究进行比较。结果表明：在流道内布置扰流元可以显著地强化换热性能，通过反演优化的思想可以获得最佳的扰流元结构、尺寸和布置形式或换热表面几何形状等。同时，在解不唯一的情况下，对于工程实际，以方便加工且不显著降低综合强化换热效果为原则进行取舍。