文章导读
热交换器在工业生产和住宅应用中扮演着重要角色，涵盖了从电力生产到冶金行业的冷却与加热过程换热器 。在全球变暖问题逐渐成为全球关注的焦点之时，提升热交换器的效率不仅能够有效节省能源，还能通过减少废热排放来减轻对环境的压力。因此，优化设备的结构设计，同时制定并完善经验公式，以指导热交换器的设计与应用，确保其在现实运行中的高效性能，成为实际应用中需要解决的问题。
基于这一背景，“Digital Twins of Complex Systems Data, Modeling, Algorithm and Application ”Topics中的一篇文章，针对螺旋翅片管式换热器，分析了内部流体与外部流体流动的综合影响换热器 。通过三维计算流体力学 (CFD) 模型，全面分析了内外部流动，从而提高了换热器热交换性能的预测精度。文章还通过支持向量回归 (SVR) 与遗传算法 (GA) 结合的一种换热器结构参数的多目标优化方法，解决了传统优化方法中热传导与压力损失之间的矛盾，达到了热交换效率与流动阻力之间的平衡。
研究过程与结果
为了全面探讨不同结构参数对螺旋翅片管式换热器性能的影响，作者设计了正交实验，系统研究了翅片的螺距、厚度和高度，以及基管的直径、厚度，以及横向和纵向管间距等因素的作用机制，具体内容如图1和表1所示换热器 。
图1.螺旋翅片管及管束排布方式换热器 。
表1.翅片管结构参数取值范围表换热器 。
为更准确地反映实际工况下换热器的工作性能，作者在模型中详细考虑了内部流动气体对换热器热交换效果的影响，并设定了相应的模型和边界条件，如图2所示换热器 。
图2.管束排布结构参数换热器 。
在此基础上，作者进一步进行了各参数对空气进出口压力差、努塞尔系数、传热因子和阻力因子的影响的极差分析，揭示了不同参数对换热器性能的影响程度换热器 。为进一步优化螺旋翅片管式换热器的传热和阻力性能，作者引入SVR回归模型建立了传热因子j和阻力因子f的回归预测模型，图3和表2验证了SVR模型的预测效果。
图3.(a) 预测和实际j因子的比较；(b) 预测和实际f因子的比较换热器 。
表2.SVR预测模型性能评估指标
最后，作者结合GA与SVR代理模型，以综合评价指标JF作为优化目标，对螺旋翅片管的结构参数和风速进行优化设计，得到了最优的结构参数组合，并通过CFD仿真验证了结果，结果对比如表3所示换热器 。
表3.SVR回归模型与遗传算法结果检验
研究过程与结果
该研究综合考虑了换热器内外流体的共同作用，提出了一种基于数值仿真和代理模型的优化方法，通过平衡传热因子与阻力因子，提升了换热器的传热性能，确定并验证了能够在各项性能指标之间实现最佳平衡的换热器设计参数换热器 。优化后，换热器的传热因子提高了44.44%，尽管阻力因子增加了14.19%，但综合性能指标JF提升了38.79%。
原文出自 Electronics 期刊
Jiang, H.; Jiang, T.; Tian, H.; Wu, Q.; Deng, C.; Zhang, R. Heat Transfer Simulation and Structural Optimization of Spiral Fin-and-Tube Heat Exchanger. Electronics 2024, 13, 4639.
Electronics 期刊介绍
期刊涵盖的研究包括但不限于以下领域：电子材料、微电子学、光电子学、工业电子、电力电子、生物电子、微波和无线通信、计算机科学与工程、系统与控制工程、电路和信号处理、半导体器件、人工智能、电动和自动驾驶汽车、量子电子等换热器 。期刊致力于快速发表与广泛电子领域相关的、最新的技术突破以及前沿发展。
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2024 CiteScore: 6.1