基于传热反问题的二维冷却通道优化

论文摘要

微小通道换热装置具有结构紧凑、换热效率高和运行安全可靠等特点，已经在计算机、航空航天以及燃料电池等许多领域得到了广泛应用。随着换热装置流体通道水力直径的逐步减小，系统内流体的对流换热系数明显提高，其换热能力明显增加，但流体的流动阻力也将显著增加。在综合考虑换热装置系统换热能力和系统流动阻力特性的前提下，对微小通道换热装置流体通道的几何形状进行优化，或者说在一定的动力条件下提高冷却通道的换热性能，是一种比较有效的技术方案。为了提高板式冷却通道系统的综合性能，针对传统的冷却通道内部流动阻力太大的现状及存在的主要问题，本文基于传热学反问题方法研究了冷却通道几何形状的优化问题，主要包括以下工作：1)建立了板式冷却通道流动和传热过程数学模型，采用控制容积法对控制方程进行离散；利用SIMPLE方法处理流体压力与速度的耦合问题，通过迭代求解离散后的代数方程组，并对其适用性作了验证；通过数值仿真实验分析了不同传热边界条件对冷却通道的温度分布、压力分布以及系统的换热能力和系统流动阻力的影响；2)介绍了利用共轭梯度法（CGM）求解传热学反问题的基本思想；结合冷却通道流动和传热过程（正问题）数学模型，将流体通道的几何形状优化问题转化为传热学反问题，以冷却通道的几何形状为待反演参数，在综合考虑系统冷却能力和系统流动阻力的前提下，构造了冷却通道几何形状优化问题的目标函数，利用共轭梯度法建立了冷却通道的几何形状优化模型；3)对冷却通道的几何形状进行了优化仿真试验，讨论了冷却通道几何形状的初始猜测值以及系统冷却能力和系统流动阻力权重之比等因素对冷却通道形状优化结果的影响。数值试验结果表明，当流道入口流体流速及流道入口高度给定时，利用本文所述的基于传热学反问题的优化方法能够对二维冷却通道的形状进行有效优化，且明显改善了冷却系统的综合性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与意义
• 1.2 冷却通道内流体的流动与传热研究
• 1.3 传热学反问题概述
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 传热学反问题的求解方法
• 1.4 本文的研究目的和研究内容
• 2 二维冷却通道模型及数值模拟
• 2.1 二维冷却通道数学模型的建立
• 2.1.1 冷却通道数学模型
• 2.1.2 边界条件的处理
• 2.2 数值计算方法简介
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 有限体积法
• 2.3 计算区域与微分方程的离散及求解
• 2.3.1 计算区域的离散
• 2.3.2 微分方程的离散
• 2.3.3 SIMPLE算法
• 2.4 网格无关性验证
• 2.5 冷却通道温度场和压力场的求解
• 2.6 本章小结
• 3 基于传热反问题的冷却通道优化
• 3.1 基于传热反问题的优化过程
• 3.1.1 传热学反问题简介
• 3.1.2 基于传热学反问题的优化目标函数的建立
• 3.1.3 基于传热学反问题的优化流程
• 3.2 最优化方法
• 3.2.1 最优化概述
• 3.2.2 最速下降法
• 3.2.3 共轭梯度法
• 3.3 冷却通道几何优化问题的求解
• 3.3.1 基于共轭梯度法的冷却通道几何优化
• 3.3.2 冷却通道优化的基本流程
• 3.4 本章小结
• 4 冷却通道几何形状的仿真试验及讨论
• 4.1 实例分析
• 4.1.1 第一类边界条件下的优化结果与分析
• 4.1.2 第二类边界条件下的优化结果与分析
• 4.2 流道形状初始猜测值对优化结果的影响
• 4.3 不同权重系数对应的优化结果
• 4.4 冷却通道不同长高比对系统综合性能的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 硕士期间发表的论文情况