[发明专利]一种螺旋槽管优化方法

说明书

本发明公开了一种螺旋槽管优化方法，属于螺旋槽管换热优化领域。本发明通过对螺旋槽形状的整体优化，可以获得性能提升更大的优化螺旋槽管，具体地，通过样条曲线对螺旋槽型线进行参数化描述，可以获得对控制点坐标变化更加敏感的型线，从而满足对型线精细调节优化的要求。本发明采用遗传算法对优化目标值中较优的螺旋槽型线进行筛选，进而可以对筛选出的螺旋槽型线对应的坐标进行选择和交叉和/或变异获得优化螺旋槽管型线，同时可以对优化螺旋槽型线再次迭代计算优化目标，可以获得更加优异的螺旋槽管型线；同时采用代理模型来预测每代种群的性能参数，代替了大量的CFD计算过程，节约了计算资源，缩短了优化周期，提高了优化过程的效率。

技术领域

本发明属于螺旋槽管换热优化领域，更具体地，涉及一种螺旋槽管优化方法。

背景技术

换热器在各个工业中不仅是保证生产过程正常运转的必不可少的一环，在各种换热设备中，管壳式换热器具有结构简单、成本低、材料选择范围广、制造容易等优点，已被广泛使用。螺旋槽管是管壳式换热器中的一个重要换热元件，是一种优秀的高效异形强化传热管。换热设备的强化传热技术指的是通过各种方式提高换热设备在单位时间内、消耗单位功率所达到的换热量。通过强化换热技术可以获得更高的设备换热性能和/或减小传热装置的尺寸。一般来说，这些技术可以分为两类:主动技术和被动技术。螺旋槽管是被动传热强化技术之一，并且是在若干传热应用中最广泛使用的换热管之一。随着中国经济的不断发展和换热需求的不断提高，对螺旋槽管的强化对流换热性能提出了更高的要求。

对于螺旋槽管的优化来说，目前较为常规的优化方法是通过实验或数值仿真的方法对不同的槽深和螺距、螺旋角等结构参数的螺旋槽管进行研究，获得优化的螺旋槽管参数组合。优化螺旋槽管一般只关注螺旋槽管的主要参数，如直径、槽深、螺距、螺旋角等，对于螺旋槽的形状优化研究现在主要是针对一些预先给定的固定形状进行对比研究，如矩形、半圆弧形、三角形、梯形等。螺旋槽管的槽形状对其换热有重要的影响，现有的螺旋槽形状优化研究中没有考虑到螺旋槽形状的所有变化，从而限制了对螺旋槽管的强化换热性能的优化效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种螺旋槽管优化方法，其目的在于提高螺旋槽管的综合换热性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种螺旋槽管优化方法，包括：

S1.采用基于控制点的样条曲线对螺旋槽管中的螺旋槽型线进行参数化；

S2.以各控制点坐标作为优化变量，并根据应用需求确定优化目标；所述控制点坐标满足约束条件：后一控制点的横坐标大于前一控制点的横坐标；

S3.从优化变量组成的多维变量空间中采样设定数量的样本，并对每个样本计算优化目标对应的性能参数；

S4.利用样本及对应的性能参数训练代理模型并验证其准确性；

S5.采用遗传算法和代理模型对优化变量进行迭代优化直至达到终止条件，得到优化螺旋槽型线；其中，每代种群的适应度通过训练好的代理模型预测得到；

S6.对优化螺旋槽型线的螺旋槽管进行CFD数值计算，获得真实性能参数，将其与遗传算法输出的性能参数进行对比，若误差在预设范围内，则结束；否则，补充更多样本，返回执行步骤S4。

进一步地，步骤S1包括：

采用如下表达式对螺旋槽管中的螺旋槽型线进行参数化：

S_i(x)＝a_1i+a_2i(x-x_i)+a_3i(x-x_i)²+a_4i(x-x_i)³+…+a_(n+1)i(x-x_i)ⁿ