基于响应面分析法的百叶窗翅片结构优化设计.pdf

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1、第52卷第l期2015年2月化工设置与管道PROCESSEQUIPMENT&PlPINGVbl．52No．1Feb．2015·单元设备·基于响应面分析法的百叶窗翅片结构优化设计毛航，王珂，王永庆，刘彤，刘敏珊(郑州大学河南省过程传热与节能重点实验室，郑州450002)摘要：分析了百叶窗翅片式微通道换热器的优缺点，以凡／2、角度口为输入变量，空气侧最小压降和最大换热量为输出优化目标，运用cFD软件Ansys建立数学模型，并将模型导入ModeFRONTIER优化软件，采用多目标遗传算法进行优化计算。优化结果表明，采用1．5～1．7

2、mm的～2、24。~26。的开窗角度口时，空气侧压降及换热性能达到最佳组合。关键词：百叶窗翅片；微通道；响应面分析法：多目标优化中图分类号：TQ050．3：TH122文献标识码：A文章编号：1009．328l(2015)01．0023．005微通道平行流式冷凝器因其具有结构紧凑、表面传热系数大等优点，从而成为目前汽车空调中使用最为广泛的冷凝器⋯。微通道平行流式冷凝器的翅片形式有多种多样，其中百叶窗翅片是目前公认的具有强化传热性的翅片，并且近年来又被逐渐应用到蒸发器、家用空调等领域【2】。在微通道平行流冷凝器中，空气侧热阻占整个

3、换热系统热阻的主要部分，而百叶窗翅片结构和几何尺寸对于空气侧换热又起着决定性作用，因此，如何对百叶窗的结构做出优化已经成为重中之重口]。对于百叶窗式微通道换热器，不同的翅片间距、厚度、角度等都将影响换热器整体的换热性能。因此，在实际工程中，往往需要通过多次实验，选择较佳的翅片结构。但是，这样的方法比较盲目，并不能得出各个结构变量对结果的影响程度，也无法在各个变量的权衡中得出最优结构。关于翅片的结构优化涉及多个设计变量及多个优化目标。普通的cAE分析需要人工修改设计变量值和结构尺寸，并再次计算，每一次的计算结果也需要人工主观的分

4、析和判断，而下一次计算需要重新手动修改参数再做计算，如图1所示。本文采用多目标优化[4刮软件modeFRONTIER与Ansys进行耦合计算。首先在worl出ench中创建模型，并在其中将关键部分的几何模型，如二分之一翅片间距、角度等这些变量参数化，作为一种可控参数方便后续的自动修改。模型建立完成后，使用mesh对模型进行划分网格，并使用fluent设定计算模型、边界条件、求解算法等。单个模型计算完成后，将结果输出给ModeFRONTIER，它会按照设定好的优化目标进行自动分析，并给出下一次计算的结构方案，通过链接关系将新结构

5、输入给Ansys，并在其中自动完成模型修改，进行下一个新结构的计算，如此往复。初始设计·T作量缔jj1．责箸蟊磊；仿真模拟<：YJ』结果评估修改U令<／余产。方案能得到评估图1传统的设计流程Fig．1Theprocessof缸aditionaldesign1物理建模1．1物理模型及网格根据周期性和对称性原则，可将换热器简化计收稿日期：2014—10一31基金项目：国家自然科学基金项目(No．51376163：No51476147)作者简介：毛航(1990一)男，河南南阳人，硕士研究生。主要从事过程传热与节能研究。化工设■与一■

6、第52卷第1期算，模型如图2所示。主要几何参数有蜀喝气，，是=1．5￡，，翅片间距‘，角度日，百叶窗间距三。，文中将剐2以及角度臼参数化。E主之窆∥∥≥置红—空．＼NNNN．笠土{臣r苗r———尹t_『寸——————_1到1图2气冷器和百叶窗结构图Fig．2Thestmctureofaircoolerandlouveredfins1．2数值模拟方法采用三维不可压、层流流动、稳态的控制方程，翅片与流体之间耦合计算。控制方程如下：连续性方程：亟拿盟：o吼：动量方程：能量方程：毒胁肌卜苦@毒卜詈ox；ox：ax；0x；昙。扰，丁)：

7、要(主要)呶ioxIcDoxi采用SIMPLEC算法解决速度和压力的藕合问题，用二截迎风格式进行离散，残差设为10～。2ModeFRoNTIER的优化流程2．1建立流程实际工程问题很少是单一目标优化问题，例如本文中研究的问题，既希望空气侧阻力小，又希望换热能力尽可能的大，这就是有两个优化目标的问题，但实际中很难同时满足两个目标，所以需要在二者之间做权衡。优化模型的三要素是设计变量、目标变量和约束条件。本文的设计变量包括列2、p；目标变量有最大换热能力、最小阻力；约束条件是设计变量的赋值范围以及目标变量的许可范围。在modeFR

8、ONTIER通过节点加线条的方法搭建起来的优化运行流程图。本文中有两个变量，列2、目，这是优化设计的两个不确定变量，每个变量都有自己的定义域，其定义域必须满足工程可取范围，并且给定变量的变化步长。列2从1mm到2mm，步长O．1；百叶窗翅片角度日从220到35。，步长lo。然