一种逆流换热器流道的拓扑优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种逆流换热器流道的拓扑优化设计方法，该设计方法包括确定二维平面设计域进出口尺寸和物理场参数；对逆流换热器计算模型进行离散化并求解，设置Pe数控制全局速度场和传热；采用插值函数方法求解拓扑优化设计变量，进而获得换热器冷热流道的拓扑形状；建立恒定压降约束下热流体向冷流体传递的热能最大的目标函数；对拓扑优化模型进行滤波处理，建立换热器流道的拓扑优化模型。该拓扑优化设计方法可以在相同压力损失下改进流道结构，促进流体与换热器间的传热过程，提高换热器的传热性能。器的传热性能。器的传热性能。

【技术实现步骤摘要】
一种逆流换热器流道的拓扑优化设计方法


[0001]本专利技术属于强化换热
，具体涉及一种逆流换热器流道的拓扑优化设计方法。

技术介绍

[0002]随着目前工业化的飞速发展，能源需求不足问题日益严重，强化换热技术成为人们广泛研究的内容。换热器作为一种实现冷热流体之间热量传递的节能设备，其换热性能的高低直接决定着可以被有效利用的能量比率，因此，对换热器强化换热技术的研究及高效换热器的开发对缓解能源危机问题意义重大。
[0003]在换热器的流道研究中，传统方法限于经典简单的几何形状，如平行流、逆流和错流换热器等。利用拓扑优化理论研究换热问题，能够在参数固定的条件下找到最佳的流道，最大程度地提高换热效率。不同拓扑优化方法的主要不同是优化目标不同，如申请号为CN113514491A的专利主要以换热器最小温差为优化目标，如申请号为 CN107122527B的专利主要以流体流动最小耗散功和表面温度均方根值最小为优化目标。这些优化方法存在中间值及数值不稳定，求解过程受初始值影响较大，需要基于设计经验给出一定范围内的初始值。r/>
技术实现思路
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对逆流换热器流道的拓扑优化设计方法，通过控制流体贝克莱数Pe对流道结构进行拓扑优化设计，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立逆流换热器几何模型；步骤二，建立逆流换热器的计算模型，根据有限元公式对其进行离散化并求解；步骤三，应用插值函数方法求解拓扑优化设计变量，建立拓扑优化目标函数，进而获得换热器冷热流道的拓扑形状；步骤四，根据所获得的拓扑形状，进行滤波处理，建立换热器流道的拓扑优化模型。2.根据权利要求1所述的对逆流换热器流道的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤二离散化求解的结果为：流体的传质问题R
F
定义为:R
F
＝M(u
F
,α)u
F
‑
b
F
＝0式中，M(u
F
，α)包括粘度、对流、Brinkman惩罚、压力耦合和速度散度，以及所有参数对应的SUPG和PSPG稳定项的系统矩阵；u
F
为求解向量，包含各个节点的速度分量和压强，b
F
为传质残差系数；剩余方程的传热问题R
T
定义为：R
T
＝M
T
(C
k
,u
Pe
)T
‑
b
T
＝0式中，T为流体温度，M
T
(C
k
,u
Pe
)为包括导热率、对流、Brinkman惩罚、压力耦合和速度散度，以及所有参数对应的SUPG和PSPG稳定项的矩阵，b
T
为传热残差系数。3.根据权利要求1或2所述的对逆流换热器流道的拓扑优化设计方法，其特征在于，步骤二的具体过程为：2.1建立流体的控制方程：2.1建立流体的控制方程：式中，u
i
为二维坐标系中横坐标方向上的流体速度，u
j
为二维坐标系中纵坐标方向上的流体速度，x
i
为二维坐标系中横坐标方向上的长度，x
j
为二维坐标系中纵坐标方向上的长度，P为动态压力，α(X)为节点位置X的渗透性；Re为流体流动的雷诺数；2.2、设在各自对应的流体域Ω之外的速度为u
i
＝0，则整个计算区域的传热方程为：式中，NF代表非流体区域，Pe

【专利技术属性】
技术研发人员：宋冰艳，李强，李慧梅，刘丽莎，胡定华，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：