基于流场结构构建的流道结构设计

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1、天津大学硕士学位论文基于流场结构构建的流道结构设计Flowpatternconstruction-basedshapedesignofflowchannels一级学科：化学工程与技术学科专业：化学工程作者姓名：陶敏指导教师：刘春江教授天津大学化工学院二零一七年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的

2、同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要化工设备内件结构优化设计是过程强化的一

3、个重要研究方向。不同的设备结构中会出现不同的传递现象，进而导致不同效率的化工过程。因而，优化设计设备结构来构造传递现象，可以作为过程强化方法的一种选择。本文针对化工过程中广泛存在流体流动过程（动量传递现象），探索性地研究基于流场结构构建的实际有效的流道优化设计方法。首先，针对二维流道优化设计问题，本文提出了一种自演化优化方法来设计流道结构、降低流动过程压降。这种优化方法包括三步。第一步，在初始流道中，计算模拟得到初始流场。然后，通过在初始流场中添加虚拟体积力，具有最小黏性耗散的优化流型可以被构造。最后

4、，在构造的优化流型中，低压降的流体单元自动地被固体区域多步代替。为了显示这种多步演化优化方法的有效性，T型流道、弯管和扩散器这三种数值案例被呈现。其次，针对三维流道优化设计问题，本文提出了一种混合启发式方法来优化流道。这种方法结合了一种基于流型构造的优化方法和一种启发式优化方法，分为两步。第一步，我们在计算区域内构造具有最小黏性耗散的优化流场（流型）。通过不断地用固体代替优化流场中低动压的液体单元，流道结构会改变。随着固体单元插进流动区域，流道的体积也会减少。这个过程（构建优化流场和固体插入流动区域）

5、会不断地重复，直至流道体积减少到预定值。这样，初步优化流道结构会作为一个中间结果得到。在混合优化方法的第二步中，第一步得到的初步优化流道结构会进一步被启发式优化方法优化。具体地，固体单元和液体单元的位置会根据启发式准则不断交换。最终，低压降的流线型流道结构会产生。为了验证这种优化方法的可靠性，直角弯肘、三通流道和多进口流道分别被测试优化。综上所述，本文以动量传递现象构建为桥梁，针对流体流动过程建立了流场结构与流道结构优化之间的联系，初步提出流道结构优化设计的有效策略。关键词：流动减阻；结构优化；流场结

6、构构建；变分优化ABSTRACTInternalstructureoptimizationofchemicalproductionequipmentsisanimportantapproachforprocessintensification.Differenttransportphenomenahappenindifferentinternalstructure,whichleadstodifferentperformaceofchemicalprocess.Therefore,constructi

7、ngtransportphenomenabyshapedesgincanbeaneffectivewaytointensifychemicalprocesses.Inthepresentstudy,fluidflowprocess(momenttransferphenomena),widelyexistedinchemicalprocesses,isaimedat.Basedonflowpatternconstruction,practicalandeffectivemethodstodesignfl

8、owchannelsareinvestigated.Firstly,thisstudydevelopsanevolutionaryoptimizationmethodtodesignflowchannelshapesandreducethepressuredrop.Theoptimizationmethodincludesthreesteps.Firstly,aninitialchannelshapeisgiven,andtheoriginalveloc