基于CFD技术和反方法的强化传热表面开发研究

With the implementation of national energy conservation policy and the increasing demand of compact and efficient heat exchangers ， studies on enhanced heat transfer surface for refrigeration and automobile industries are increasingly important .The project for the development of enhanced heat transfer surface complex geometric structure, poor heat transfer performance and pump power consumption, long development cycle and the fitting formula with narrow scope of application and other issues, optimization and analysis are conducted on new enhanced surface by innovatively using inverse method and the finite volume method,and research multi-physics coupling laws for flow velocity, pressure and temperature field of the heat transfer surface, and analysis optimization the relationship between the velocity field and pressure field, as well as the velocity and temperature field synergy relations, analysis of energy-saving mechanism of heat transfer and drag reduction, and optimize the fin pitch, open seam length and geometric parameters such as the influence of heat transfer and pressure drop performance, and optimize the best heat transfer enhancement surface, using artificial neural networks methods of analysis and optimization of a large number of calculations to establish the function include an effective geometrical parameters and working conditions between the physical parameters and thermal properties, the formation of a practical approach to product development.

随着国家节能减排政策的实施和换热器紧凑高效要求的提高，制冷和汽车等工业领域对强化换热表面研究越来越重要。本项目针对目前强化换热表面的开发存在几何结构复杂、换热性能差和泵功消耗大、开发周期长和拟合关联式适用范围窄等问题，创新性地采用有限容积法技术和反方法对新型强化表面进行优化分析，研究强化换热表面流道内速度场、压力场和温度场等多物理场的耦合规律，分析优化速度 场与压力场的配合关系，以及速度场与温度场的协同关系，从换热与减阻两方面分析节能机理，优化翅片间距、开缝长度等几何参数对换热与阻力性能的影响规律，并优化出最佳的强化换热表面，利用人工神经网络方法对大量的计算数据进行分析优化，建立一个有效的几何参数与工况运行物理参数和热力性能的函数关系，形成一套切实可行的产品开发方法。

随着换热器紧凑高效要求的提高，强化传热表面开发研究越来越重要。本项目针对强化表面结构复杂和关联式通用性差等问题，基于分形理论的思想提出了新的分形翅片和分形分段翅片,采用CFD技术对其进行了正问题大量计算，对分形分段翅片完成了经验参数反问题的建模求解，建立了可靠性评估模型。在考虑热应力变形和不考虑热应力变形的工况下，基于商业软件完成了电子器件冷却用分形分段翅片分布参数反问题的求解；基于CFD技术和反方法对汽车空调和家用空调等领域常用的平片、波纹片、百叶窗翅片、泡沫翅片、波纹开缝、复合百叶窗、辐射开缝片等管翅式强化表面在层流和湍流工况下强化表面进行反演优化分析，分别采用编程和商业软件研究了强化换热表面流道内速度场、压力场和温度场等多物理场的耦合规律，基于协同角和耗散角分析优化了速度场与压力场的配合关系，以及速度场与温度场的协同关系，从换热与减阻两方面分析了节能机理，分析了几何参数和工况参数对换热与阻力性能的影响规律，基于自编程序和优化工具箱建立了多种强化传热表面经验参数反问题的求解模型，基于自编程序、商业软件的优化模块和优化软件采取离散优化法构建了多个强化传热表面分布参数反问题的求解模型及其开发，并获得多个最佳的强化换热表面，构建了反映有效的几何参数与工况运行参数与热力性能的神经网络，拟合了多种类型的热力性能关联式，形成了一套从经验参数系统反向设计与分布参数反向设计的切实可行的产品开发方法，达到了对换热器强化表面开发的主动可控，并探索了波纹翅片的成型加工。并把本项目的研究方法延伸到汽轮机热固耦合问题、流固耦合问题、SCR反应问题和内燃机燃烧问题的求解。