壁面扰流元强化换热的几何参数反问题优化研究

摘要

早期传热反问题主要关注导热，本文以对流传热强化为目标，开展反问题研究。相对于导热反问题，对流传热反问题更加复杂，主要表现在流动的非线性和复杂性，而且求解的不适定性更加困难。
　　求解扰流元几何参数反问题时，按照以下步骤：首先给定一个反演物理量的初始值，代入正问题模型得到一个相应地温度场；其次将计算所得温度与实际测量的温度构成目标函数；然后通过对目标函数进行判断，若误差在允许范围内，给定的反演物理量则可作为最终结果，若超出允许范围内，需要对给定值进行修正，再重复上述过程，直到计算结果满足要求。
　　本文主要研究了矩形通道内扰流元的形状优化和位置优化的反问题，通过共轭梯度法、灵敏度方程和伴随方程，实现对问题的数学求解，并且利用C语言编程，将用户自定义函数（UDF）与Fluent软件连接，进行数值模拟计算，完成最优化求解的任务。对于形状优化反演，分别研究了半圆形扰流元、五边形扰流元、六边形扰流元和三角形扰流元。结果发现：优化后扰流元流场的努塞尔数比优化前增加7.1%~41.4%，优化后的阻力因子比优化前减小2.2%~38.1%，并且优化后的综合换热效果均好于优化前；对于位置优化反演，分别研究了两个矩形扰流元和三个矩形扰流元在不同初始距离的情况，对扰流元间距进行优化，得到两个扰流元和三个扰流元的最终优化位置。两个扰流元反演优化后的间距为101mm，三个扰流元反演优化后的间距为80.5mm，数据表明优化后的位置对流场的换热效果要好于优化前，优化后扰流元流场的努塞尔数比优化前增加5.2%~6.1%，优化后的阻力因子比优化前减小4.9%~5.5%。

目录

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主要符号表

第一章 绪论

1.1引言

1.2反问题的研究状况

1.3传热学反问题的研究

1.4本文研究主要内容

第二章 反问题的方程推导

2.1灵敏度方程

2.2伴随方程

2.3共轭梯度法

2.4求解反问题的步骤

2.5本章小结

第三章 反问题的数值模拟

3.1 Fluent动网格和UDF编程

3.2动网格编译

3.3曲线拟合

3.4本章小结

第四章 扰流元形状优化反演

4.1计算模型

4.2网格独立性验证

4.3曲线拟合形状分析

4.4扰流元形状优化分析

4.5本章小结

第五章 扰流元位置优化反演

5.1计算模型描述

5.2网格独立性考核

5.3两个扰流元间距优化

5.4三个扰流元间距优化

5.5两个与三个扰流元的对比分析

5.6本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢