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申请/专利权人：浙江大学

摘要：本发明公开了一种背风切割螺旋翅片管换热器及优化设计方法，属于换热器优化技术领域。首先，本发明构建了一种带有中空的基管以及背风切割螺旋翅片的背风切割螺旋翅片管，且在背风面设置有背风切割角，背风切割螺旋翅片缠绕在基管外围，背风切割角的角平分线平行于来流方向且经过基管横截面的圆心，其顶点为基管横截面的圆心。其次，针对背风切割螺旋翅片管，本发明提供了一种背风切割螺旋翅片管换热器的优化设计方法，该方法通过流场分析、颗粒相追踪、模型训练、多目标优化以及结果验证五个步骤，将最终获得几何模型作为背风切割螺旋翅片管换热器的最优结构。实验表明，本发明的方法在各项性能指标上相比于优化前均有大幅提升，优化效果较好。

主权项：1.一种背风切割螺旋翅片管换热器的优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、针对背风切割螺旋翅片管换热器，将用来描述背风切割螺旋翅片管换热器结构的参数作为设计变量，并确定各个设计变量的约束空间，通过随机抽样获取不同设计变量下的设计样本，将每个设计样本各自建模为一个样本几何模型，对每个样本几何模型进行网格划分及网格无关性验证，若不满足预设的精度要求，则重新对样本几何模型进行网格划分及网格无关性验证，直至满足预设的精度要求；通过计算流体力学软件对满足精度要求的样本几何模型进行数值模拟，得到不同设计样本下的流场、温度场状态及传热流动综合评价因子；S2、对S1中满足精度要求的样本几何模型采用离散相模型进行颗粒追踪，在颗粒追踪时，根据颗粒与壁面碰撞时的碰撞速度和碰撞角度对颗粒沉积状态进行判断：若颗粒沉积状态为颗粒沉积，则停止追踪，若颗粒沉积状态为颗粒反弹，则继续追踪直至颗粒沉积或者颗粒流出流场；颗粒追踪完成后，根据颗粒沉积质量计算不同设计样本下的表面沉积密度；S3、以S1中得到的不同设计样本下的流场、温度场状态及传热流动综合评价因子以及S2中得到的不同设计样本下的表面沉积密度构建数据库，将数据库划分为训练数据和测试数据，以S1中的设计变量作为梯度提升决策树模型的输入，将用来评价背风切割螺旋翅片管换热器性能的目标参数作为梯度提升决策树模型的输出，在训练数据上训练梯度提升决策树模型以学习训练数据的设计变量与目标参数之间的关系，训练完毕后，使用测试数据对训练好的梯度提升决策树模型进行精度测试，得到测试数据的拟合结果，计算测试数据的拟合结果与真值之间的误差以检验训练好的梯度提升决策树模型是否达到预设的精度要求，若不满足精度要求，则重新训练梯度提升决策树模型，直至满足精度要求；S4、根据目标参数的重要性为每个目标参数分配不同的权重，将目标参数加权求和后作为耦合评价标准，由满足精度要求的梯度提升决策树模型生成一组设计样本初始值，使用多目标优化算法对生成的设计样本初始值进行优化，在优化过程中最小化耦合评价标准，直至达到收敛要求，得到最优设计变量；S5、由S4获得的最优设计变量建立几何模型，对几何模型进行计算流体力学仿真以及基于离散相模型的颗粒追踪，得到几何模型的数值模拟结果，若几何模型的数值模拟结果优于原始模型的数值模拟结果，则将几何模型作为背风切割螺旋翅片管换热器的最优结构；否则，将几何模型的数值模拟结果加入至S2的数据库中，对几何模型进行优化，重新训练梯度提升决策树模型并重新生成最优设计变量，直至几何模型数值模拟结果优于原始模型的数值模拟结果；其中，几何模型的数值模拟结果包含几何模型对应的流场、温度场状态、传热流动综合评价因子以及表面沉积密度；所述原始模型为工业场景中存在的用来描述螺旋翅片管换热器结构的三维模型；所述背风切割螺旋翅片管换热器采用背风切割螺旋翅片管作为换热管，所述背风切割螺旋翅片管包括中空的基管（1）以及同轴绕设于基管（1）外部的背风切割螺旋翅片（2）；基管（1）的两端具有位于背风切割螺旋翅片（2）之外的封头连接段；所述背风切割螺旋翅片（2）以垂直基管（1）轴线的方向作为来流方向，且背风切割螺旋翅片（2）在背风面开设有截面为扇环形的切割凹槽，所述切割凹槽延伸至所述基管（1）外表面，使背风切割螺旋翅片（2）在切割凹槽处断开，形成一系列翅片间距相同且背风切割角（3）均相同的翅片单体；所述背风切割角（3）的顶点与基管（1）的横截面圆心重合；所述基管（1）管径为φ20～φ76mm；所述背风切割螺旋翅片（2）中翅片单体之间的翅片间距为3～15mm、翅片高度为5～15mm、翅片厚度为0.5～3±0.5mm；所述背风切割角（3）通过激光切割获得，所述背风切割角（3）的角度大小不超过90°。

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