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紧凑型板壳式换热器导流结构优化设计点击：2017 日期：[ 2014-04-26 22:13:51 ] |
| 紧凑型板壳式换热器导流结构优化设计 刘敏珊 孙爱芳 董其伍 (郑州大学热能工程研究中心 河南郑州 450002) 摘要:对于紧凑型板壳式换热器,导流结构的优化设计是至关重要的。对常用导流筒进行流体动力学分析,发现存在严重的物流分配不均现象。介绍了一种新的导流结构,流体动力学分析显示该结构可显著提高流体进入内筒的均匀性。将流体动力学分析与优化设计技术相结合,介绍了基于ＡＮＳＹＳ-ＡＰＤＬ的优化过程,以流体不均匀性最小为优化目标,建立合理的优化数学模型,获得最优化结构设计。 关键词:导流筒;优化设计;紧凑型板壳式换热器;流体动力学分析 中图分类号:ＴＱ051 5 文献标识码:Ａ 文章编号:1001-4837(2006)08-0032-05 1 引言 随着科学技术的迅速发展,要求研制结构紧凑、质量轻和传热效率高的新型换热设备。我们开发的新型紧凑板壳式换热器,利用成熟的壳体结构配以紧凑型芯体,充分发挥了管壳式和板翅式换热器的优点。 板翅式芯体具有高效、紧凑等特性,尤其便于多股流体的布置,并根据各股流体热通量的不同布置换热通道。如果换热是在液气两种介质之间进行的,采用常用的管式或板式换热器,其两侧传热面积很接近,而总传热面积是由系数低的气侧控制的,因而导致换热器过分庞大。在这种情况下,若有意识地在气侧应用扩展表面,以便大幅度增加单侧的传热面积,其优点是不言自明的[1]。 板翅式芯体由于采用高度紧凑的传热表面而使其迎面面积相对较大,流道相对较短。在这种情况下,要求精心设计流体分配结构,以保证流体在各流道间和各流道内都能均匀分配,否则由于物流分配的不均匀造成换热器效能下降而显示不出紧凑芯体的优越性。 因此对影响其内部物流分配不均匀性的因素进行研究是新型结构优化设计的重要内容。 2 常用导流筒 设置导流筒不仅可以防止入口处高速流体对芯体的直接冲击,而且有利于壳程流体的相对均匀分布,从而使壳程进口段芯体的传热面得到充分利用,起到减少传热死区及防止进口段可能出现的流体诱导振动的作用。外导流筒还相当于一个膨胀节[2],有热补偿作用。 对该结构导流筒进行流体动力学分析,发现流体在从夹套进入壳程空间时沿圆周的分布是不均匀的,整体趋势是从下半部流入的流体要比上半部流入的多,如图2所示。在对称面上入口处定义路径,显示路径上各点流速(图2(ｂ)),可以清楚地看到靠近下方流体的速度大。 3 新型导流筒结构优化设计 改进后的导流筒结构如图3所示。筒体、法兰、流体入口管等部分结构参数依据相关标准设计[3]。采用斜截面内导流筒后,进入内导流筒的流体差别显著减小。图3(ｂ)是θ=5°,Ｌ=50ｍｍ时的流体分析结果,与图2(ｂ)相比,入口处流体速度均匀度提高,最大速度带较宽且接近中部。这都利于流体传热,并可减小芯体的振动。 为了对各部分结构进行定量分析,使流体进入芯体时最大限度地均匀化,需要对结构进行优化设计。 对基于流体动力学分析的结构进行优化设计,常用的方法是在流体动力学分析软件(如ＦＬＵＥＮＴ)的支持下,采用正交试验的思路,改变结构参数,形成不同的方案进行分析对比,寻找相对较优的方案。本文将流体动力学分析与优化技术相结合,寻求最佳的设计方案。 3 1 基于流体动力学分析的优化过程 利用ＡＮＳＹＳ进行优化设计是将有限元分析方法和传统的优化技术相结合,并应用于零部件的结构优化设计过程中,在满足给定条件下,寻求一个技术指标最佳的设计方案。 整个分析过程是基于ＡＮＳＹＳ-ＡＰＤＬ(参数化设计语言)的,对所有的相关尺寸和材料属性都是参数化的,模型的建立以及结果的提取也全部参数化。分析模型的正确性对优化分析结果至关重要。对于不同的设计条件修改参数即可获得新的模型。考虑到模型和流体流态的对称性,建立的模型如图5所示。 生成优化分析文件后进入优化处理器。设计变量通常是几何参数,应对多个几何参数进行分析精炼,只选择可以提供实际优化设计的变量作为优化设计变量,太多的设计变量会使得优化收敛于局部最小值的可能性增加。 在很多情况下要进行多层优化计算。比如,在一次优化分析后没有找到需要的优化结果,或是用一种优化工具开始计算,然后做优化分析(如先进行随机搜索,然后用一阶方法)。从第一次较少次数的循环中得到的结果可以作为修改设计空间并进行优化分析的依据。 3 2 斜截面导流筒优化设计数学模型 对导流筒结构尺寸进行分析,内外套筒直径、法兰与接管尺寸都在相关的设计标准参考下计算或选取,影响流体进入内筒均匀性的主要尺寸为内筒距离封板的最小距离Ｌ和斜度θ,可确定为优化设计变量。同时,希望内筒切口距离封板最远距离(Ｌ′=Ｌ+Ｄｉｔｇθ)较小,以增加有效换热长度,需作为一个约束条件,故可将Ｌ′定义为状态变量。斜截面导流筒优化设计数学模型为: 这是二维有约束优化问题,其中,ｆ(ｘ)为目标函数,表示流体流速沿内筒入口路径上、下部分积分的差值。优化方法求解的基本前提在于目标函数方程的建立,而对于复杂结构的有限元模型来说,要想得出目标函数的解析表达式是十分困难甚至是不可能的。为了将有限元法与优化方法结合起来,则必须给出目标函数的显函数表达式。解决这一问题,可以采用曲线拟合的方法,人为地形成目标函数的近似函数表达式: 其中ｘｉ(ｉ=1,2,……,ｎ)为设计变量。在本研究中,ｎ=2。为了进行曲线拟合,首先产生ｋ组设计变量,通过有限元流体动力学分析求出相应的各组目标函数的计算结果,由各组结果得出总的加权最小二乘误差为: ｆ(ｋ)为由有限元法计算出的第ｋ组设计变量对应的Ｆ值,Ｆ(ｋ)为由近似算法得出的第ｋ组设计变量对应的Ｆ值,Ｗ(ｋ)为第ｋ组设计变量的权。根据最小二乘原理,求Ｅ值最小值,得正则方程组: 由此可得拟合形式的目标函数,然后利用各种优化方法,通过优化迭代,可得出目标函数的极值。 3 3 优化方法 ＡＮＳＹＳ程序提供的优化有随机搜索法、等步长搜索法、乘子计算法、最优梯度法和一阶方法等。其中,一阶方法计算量大。但一阶方法计算精确且更容易获得局部最小值。本文通过一系列的单次循环,每次求解前设定不同的设计变量来研究目标函数与设计变量的变化关系,然后以较合理的设计序列为起点运行一阶方法,可以在较少循环次数下获得最优解。 3 4 应用实例 设计条件: !定义参数 限于篇幅,程序不全部给出。采用20次单次优化可以发现,在θ=4°,Ｌ=0 03ｍ时,有最优解的趋势,故以此为初始值运行一阶方法,7次循环就获得了最优解,见表1。 优化后的入口路径上的速度分布如图6所示,较图3(ｂ)更为均匀对称。 4 结论 本文对基于流体动力学模拟的优化设计方法进行了有益的探讨,利用ＡＮＳＹＳ-ＡＰＤＬ能提供高效的数字化工具,在产品设计阶段提高结构设计的可靠性,可以有效地缩短产品设计周期和费用。 有限元流体动力学分析与优化方法是工程分析中最主要的两个数学工具,将两者有机地结合起来,充分发挥有限元数值模拟计算准确性及优化方法求极值的高效性,将在工程分析中发挥作用。 参考文献: [1] Ｗ Ｍ 凯斯,Ａ Ｌ 伦敦 紧凑式热交换器[Ｍ] 北京:科学出版社,1997 [2] 兰州石油机械研究所.换热器[Ｍ] 北京:烃加工出版社,1988.12. [3] ＧＢ151—1999,管壳式换热器[Ｓ]. [4] 孙爱芳,刘敏珊,董其伍.基于ＣＡＥ的Ｕ形波纹管膨胀节的工程优化设计[Ｊ].压力容器,2005,22(2):21-24. |
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