基于變密度法的換熱器結構拓撲優(yōu)化研究.pdf

1、換熱器作為量大面廣的通用工藝設備，其強化換熱技術的研究及新型高效換熱器的開發(fā)對緩解能源危機問題意義重大。本文基于變密度法和 MMA優(yōu)化算法通過COMSOL Multiphysics仿真軟件平臺對換熱器進行恒定輸入功率下二維結構拓撲優(yōu)化，研究拓撲優(yōu)化方法在換熱器結構優(yōu)化設計中的適用性和影響因素。研究的主要內容和結論如下：
　?。?）采用多孔介質假設，以材料密度為設計變量，結合 Brinkman模型和N-S方程建立換熱器拓撲優(yōu)化區(qū)域流

2、動模型，將引入的虛擬體積力項進行變密度法材料插值，以區(qū)分流體區(qū)域和固體區(qū)域；然后通過材料密度分別建立優(yōu)化區(qū)域在定溫和定熱流熱邊界條件下的傳熱模型；引入一個表達輸入功率的積分方程，得到入口壓力與雷諾數的三次方成正比的關系?；谕負鋬?yōu)化理論綜合分析建立了兩類熱邊界條件下的換熱器拓撲優(yōu)化數學模型，定溫熱邊界條件下的目標函數為邊界條件下的目標函數為max H=∫D（1-γ）β（1-Τ*）dΩ，即無量綱熱源放熱量最大；定熱流熱邊界條件下的目標函數

3、為min H2=1/V*∫D（1-γ）β（1-Τ*）dΩ，即固體區(qū)域平均溫度最小。
　?。?）采用MMA優(yōu)化算法在COMSOL軟件中對定溫熱邊界條件下優(yōu)化區(qū)域的數學模型進行可視化編程，然后進行靈敏度分析和模擬仿真計算，得到了光滑且分界清晰明顯的流道結構，證明了算法的有效性和正確性；考核分析了不同網格和懲罰因子對優(yōu)化流道結構、目標函數及迭代步數的影響，發(fā)現不同網格數量下的優(yōu)化結果具有相似性，但網格數量過小得到的結構存在灰度單元現象，

4、過大流道邊緣粗糙呈鋸齒狀；懲罰因子太小出現的較多中間狀態(tài)區(qū)域，q過大導致計算不收斂。綜合考慮計算準確度和計算時間，取網格數量為5200，懲罰因子為0.02進行后續(xù)分析計算。
　?。?）計算分析不同無量綱熱源產熱系數β、固體體積比V*隨雷諾數Re的變化對流道結構、目標函數值、速度分布云圖和溫度分布云圖產生的影響，得到拓撲優(yōu)化在換熱器設計過程中應均衡考慮的三大因素為：輸入功率、高溫固體熱源放熱量和固體體積比，這些因素是導致優(yōu)化結果中流

5、道分布差異的主要原因。在給定換熱量的條件下，Re數越大，換熱流道的分支越多，換熱效果越好；當Re數超過某個數值時，拓撲優(yōu)化結構趨于相對穩(wěn)定，但是分支流道內部的流速會增加。在相同輸入功率下，無量綱熱源產熱系數β越大，優(yōu)化空間內部的流道分布越復雜，工質與固體接觸處會產生熱量富集；而較高β值時為增強換熱效果增大Re數，增加的流道分支會靠近優(yōu)化區(qū)域的后半段分布。同時在相同輸入功率下，固體體積比 V*越大，分支流道數量驟減，流道布置和各分支流道寬