一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，包括选取微流道换热器的关键几何参数作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为设计目标参数的响应面模型；利用响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以Pareto最优边界获得换热器性能最优时对应的微流道几何结构值；结合至少包括换热器结构强度校核准则、换热器放置空间、换热板片工艺极限要求，根据获得的换热器性能最优时对应的微流道几何结构值完成换热器的整体结构优化设计。本发明专利技术可获得换热器性能最佳时的微流道几何结构，有助于微流道换热器换热性能的提升和系统运行阻力的降低。易于实现，以低成本、高效方式进行换热器性能优化提升。高效方式进行换热器性能优化提升。高效方式进行换热器性能优化提升。

【技术实现步骤摘要】
一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法


[0001]本专利技术涉及换热器设计领域，具体涉及一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法。

技术介绍

[0002]印刷电路板式换热器(PCHE)是一种能够承受高温高压、体积紧凑、换热效能高的新型换热器，其在液化天然气领域、核能利用领域以及制氢行业被广泛应用。该型换热器主要由管箱1、换热芯块2、二次侧进出口接管3
‑
1和3
‑
2、一次侧进出口接管4
‑
1和4
‑
2构成(附图1所示)。其主要制造工艺包括微通道蚀刻成型和换热芯体扩散焊成型，其显著特征为换热芯体包含大量微小的流道和具有极高的机械结构强度。在PCHE中，折线微通道PCHE因其较高的换热性能和工艺简便性成为应用最为广泛的一类PCHE。
[0003]对于PCHE换热器而言，分析其运行性能的最重要指标是流动压降和换热效能，一台性能优异的换热器具备较小的流动压降和较高的换热效能，因此在折线微流道换热器优化设计中需将流动压降和换热效能作为最终的优化目标。对于折线微流道PCHE而言，尚无针对折线流道几何参数进行最优化设计的方法，从工程应用需求出发，有必要开发一种微流道换热器的最优化设计方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是目前尚无对于折线流道几何参数进行最优化设计的方法，而无法进行针对于折线微流道换热器的整体优化设计。目的在于提供一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，以解决以上问题。
[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，包括：
[0006]S1：选取微流道换热器的关键几何参数作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为设计目标参数的响应面模型；
[0007]S2：利用所述响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界获得换热器性能最优时对应的微流道几何结构值；
[0008]S3：结合至少包括换热器结构强度校核准则、换热器放置空间、换热板片工艺极限要求，根据获得的所述换热器性能最优时对应的微流道几何结构值完成换热器的整体结构优化设计。
[0009]在一可选的实施例中，所述关键几何参数包括流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径。
[0010]在一可选的实施例中，所述步骤S1中，响应面模型的构建方法包括：
[0011](1)利用拉丁超立方抽样方法选择设计点；
[0012](2)获得所述设计点对应的优化目标值；
[0013](3)根据所述设计点和对应的优化目标值，建立微流道几何结构参数与设计目标
参数之间的函数关系：
[0014][0015]式中，y
i
表示目标函数；n为设计变量的数量；x
i
、x
j
为几何结构优化设计参数；β0代表常数项系数，β
j
代表一次方项系数，β
jj
代表同参数二次方项系数，β
ij
代表不同参数间二次方项系数。
[0016]在一可选的实施例中，利用拉丁超立方抽样方法分层随机抽样建立m
×
n矩阵，以确定各设计点；
[0017]n为设计变量的数量，m为每个设计变量选取的设计点数量。
[0018]在一可选的实施例中，所述步骤S2中，利用NSGAⅡ非支配排序遗传算法结合所述响应面模型，得到优化设计参数范围内的Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界作为微流道换热器几何结构优化设计的取值数据库。
[0019]在一可选的实施例中，利用所述NSGAⅡ非支配排序遗传算法进行数据之间的快速排序，以压降小、传热系数大为目标函数判定准则确定各点之间的支配关系。
[0020]在一可选的实施例中，所述步骤S3中，换热器的整体结构优化设计的过程包括：
[0021](1)根据用户对换热器允许压降的限制，确定换热器最优流道结构；
[0022](2)根据最优流道结构进行结构强度校核；
[0023](3)根据放置空间要求、生产工艺限制或用户需求，结合获得的微流道最优几何结构值进行流动换热设计，以得到满足用户需求的换热器。
[0024]在一可选的实施例中，所述步骤(1)中，根据用户输入的允许压降的限制值，在最优边界上选取换热系数最大时对应的微流道几何结构值。
[0025]在一可选的实施例中，所述步骤(2)中结合结构强度校核，考虑微流道直径的影响，若通过结构强度校核，则进行下一步；
[0026]若不通过，则降低换热器流动压降限制，重新选择该条件下对应的最优几何结构值，直至完成强度校核。
[0027]在一可选的实施例中，所述步骤(3)中；
[0028]根据放置空间要求、生产工艺限制或用户需求，初步选定蚀刻换热板的长度和宽度；
[0029]结合获得的微流道最优几何结构值，进行流动换热设计；
[0030]若设计输出结果符合用户需要，则完成最优化设计流程，若不符合则重新调整蚀刻换热板的长度和宽度值，根据新的换热板长度
‑
宽度值，重新进行流动换热设计，若仍不满足要求，则返回至步骤(1)中，并降低压降限制值，按照步骤(1)～(3)的顺序，直至符合需求。
[0031]在一可选的实施例中，换热器的折线微流道的水力直径不大于3mm、微流道倾角小于75
°
。
[0032]本专利技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0033]本专利技术实施例提供的一种基于响应面模型的对折线微流道PCHE进行最优化设计，以折线微流道关键几何参数流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为最终优化目标的响应面模型；利用该响应面模型结合遗
传算法获得Pareto最优边界，以该边界获知换热器性能最优时对应的折线微流道几何结构；之后综合考虑换热器结构强度校核准则、换热器放置空间限制、换热板片工艺极限等要求，完成折线微流道PCHE最优化设计。从而专利技术提供的方法可获得换热器性能最佳时的微流道几何结构，有助于微流道换热器换热性能的提升和系统运行阻力的降低。本专利技术易于实现，可借助数值模拟工具进行参数化建模分析，以低成本、高效率的方式进行换热器性能的优化提升。
附图说明
[0034]为了更清楚地说明本专利技术示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
[0035]图1为常规PCHE结构示意图；
[0036]图2为本专利技术实施例提供的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法示意图；
[0037]图3为折线微流道结构示意图；
[0038]图4为折线微本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，包括：S1：选取微流道换热器的关键几何参数作为优化设计参数，构建关于流动压降和换热效能作为设计目标参数的响应面模型；S2：利用所述响应面模型结合遗传算法获得Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界获得换热器性能最优时对应的微流道几何结构值；S3：结合至少包括换热器结构强度校核准则、换热器放置空间、换热板片工艺极限要求，根据获得的所述换热器性能最优时对应的微流道几何结构值完成换热器的整体结构优化设计。2.如权利要求1所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述关键几何参数包括流道倾角、纵向节距以及半圆形流道直径。3.如权利要求1所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，响应面模型的构建方法包括：(1)利用拉丁超立方抽样方法选择设计点；(2)获得所述设计点对应的优化目标值；(3)根据所述设计点和对应的优化目标值，建立微流道几何结构参数与设计目标参数之间的函数关系：式中，y
i
表示目标函数；n为设计变量的数量；x
i
、x
j
为几何结构优化设计参数；β0代表常数项系数，β
j
代表一次方项系数，β
jj
代表同参数二次方项系数，β
ij
代表不同参数间二次方项系数。4.如权利要求3所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，利用拉丁超立方抽样方法分层随机抽样建立m
×
n矩阵，以确定各设计点；n为设计变量的数量，m为每个设计变量选取的设计点数量。5.如权利要求1所述的一种基于响应面模型的微流道换热器优化设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用NSGAⅡ非支配排序遗传算法结合所述响应面模型，得到优化设计参数范围内的Pareto最优边界，以所述Pareto最优边界作为微流道换热器几何结构优化设...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐佳，黄彦平，刘旻昀，臧金光，刘光旭，刘睿龙，卓文彬，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：