一种基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法

本发明涉及车用中冷器优化设计，更具体的说，是涉及一种基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法。

背景技术：

1、中冷器作为常规的换热器之一，在众多领域得到快速推广，目前使用大中型柴油发动机的舰船、移动电站、大型车辆等基本上都装有中冷器。随着汽车发动机的快速发展，通过将更多的空气引入燃烧室来提高发动机的动力，然而空气经增压后，虽然密度增加会使进气量增加，但是增压后气体温度会迅速上升，这严重制约了发动机性能的进一步提升。因此，中冷器换热和流阻性能改善研究至关重要。

2、目前，对中冷器的大部分优化设计方法都是基于局部翅片模型的换热和流阻性能提升，而对于中冷器整体的流阻与传热性能这方面研究很少。这是由于中冷器散热芯体的翅片数量庞大，网格的数量超出当前计算机的计算性能。上世纪七十年代研究者提出了将多孔介质模型运用到换热器流动模拟过程，多孔介质模型的引入减少了计算网格数目，使研究中冷器整体的流阻与传热性能具备了可行性。但是，目前基于多孔介质模型的中冷器研究大多只停留在中冷器整体的三维数值模拟上，并未基于多孔介质模型提出一种中冷器的优化设计方法来提升中冷器整体的流阻和换热性能。

技术实现思路

1、本发明旨在利用多孔介质模型替代中冷器原有散热翅片芯体实现中冷器整体三维数值模拟，并以中冷器整体三维数值模拟为基础对中冷器的流阻和换热性能进行优化，提出一种基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法。

2、本发明一种基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法，按照下述步骤进行：

3、(1)根据中冷器散热芯体翅片几何参数和周期性特点，对局部翅片模型进行参数化造型：选取一个固定周期的翅片结构和相应的上下隔板进行局部翅片模型建模，改变翅厚、节距等翅片几何参数创建不同局部翅片模型实现参数化。

4、(2)通过单参数变化范围分析，在保证周期性局部翅片模型不发生严重扭曲及形变的条件下，计算单一设计变量在变化范围内对周期性局部翅片模型的流阻与传热性能的影响，选定翅片几何参数对周期性局部翅片模型的流阻与传热性能的影响较大的关键设计变量；将设计变量对性能始终有积极影响的变化范围作为设计空间；

5、(3)采用最优拉丁超立方采样方法生成样本集，使样本点均匀分布在整个设计空间，样本集中初始样本数量一般与设计变量数有关，最低数量要求为设计变量数量的(n+1)*(n+2)/2倍；

6、(4)针对初始样本集内的每一种设计方案，采用定常雷诺平均方法进行数值模拟；计算域采用非结构化周期性网格进行离散，基于有限体积法对n-s方程和能量方程进行离散，湍流模型选择rng k-ε，流体域入口条件给定为固定温度速度条件，出口条件为压力边界条件；固体域上、下边界为固定温度边界；流体域与固体域左右边界均为周期边界条件，流体域与固体域交界面为热耦合面，获取周期性局部翅片模型不同速度工况定常流场；

7、(5)从周期性局部翅片模型定常流场获得进出口压降，构建速度-压降二次多项式关系。根据改进达西(darcy)定律，获得多孔介质模型的惯性阻力系数和粘性阻力系数。根据周期性局部翅片模型，获得多孔介质模型的孔隙率。

8、(6)利用多孔介质参数定义整体中冷器模型的流体域，采用定常雷诺平均方法进行数值模拟，基于有限体积法对n-s方程和能量方程进行离散，湍流模型选择rng k-ε，入口边界条件给定为固定温度速度条件，出口条件为压力边界条件，流体域与固体域交界面为热耦合，获取整体中冷器设计工况定常流场。

9、(7)构建响应面(response surface)模型，获取出口温度、进出口压降与步骤(2)选定的关键设计变量的映射关系，采用非支配排序遗传算法(nsga-ⅱ)实施优化，目标函数是：热侧最小出口温度、热侧最大进出口压降，获得pareto前沿解集，筛选部分最优解对应的几何进行数值模拟计算，最终获得流阻和换热性能最优设计方案。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

11、1、本发明的基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法，将多孔介质模型引入到中冷器的优化设计中，实现了基于中冷器整体模型的优化设计，打破了传统优化设计中基于中冷器局部模型的局限性。同时将基于多孔介质模型的计算结果与非支配排序遗传算法(nsga-ⅱ)相结合实施优化，实现了在中冷器整体模型下的多目标优化。

12、2、本发明的一种基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法依据设计工况下中冷器整体模型的计算结果，将传统方法中的优化目标替换为中冷器出口温度和进出口压降，利用响应面(response surface)模型构建了设计参数与出口温度、进出口压降的映射关系，能够更加清晰地反映设计参数对中冷器整体的换热和流动阻力变化情况的影响，为中冷器优化设计理论与方法提供新的思路与方向。

13、本发明的基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法，将多孔介质模型引入到中冷器的优化设计中，实现了基于中冷器整体模型的优化设计，打破了传统优化设计中基于中冷器局部模型的局限性；另一方面，基于设计工况下中冷器整体模型的计算结果，将传统方法中的优化目标替换为中冷器出口温度和进出口压降，更加清晰地反映设计参数对中冷器整体的换热和流动阻力变化情况的影响，为中冷器优化设计理论与方法提供新的思路与方向。

技术特征：

1.一种基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法，其特征在于，所述对中冷器流阻和换热性能影响超过4％的关键设计变量为翅片厚度、翅片间距和翅片节距。

3.根据权利要求2所述的基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法，其特征在于，步骤2中所述单参数变化范围，具体为翅片厚度变化范围为0.1mm-0.5mm；翅片间距变化范围为：1mm-5mm；翅片节距变化范围为2mm-10mm。

技术总结本发明公开了一种基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法。本发明按照下述步骤进行：(1)根据中冷器散热芯体翅片几何参数和周期性特点，对局部翅片模型进行参数化造型；(2)单参数变化范围分析；(3)在设计空间内进行最优拉丁超立方采样；(4)针对每一种设计方案采用定常雷诺平均方法进行数值模拟；(5)根据周期性局部翅片模型，获得多孔介质模型的孔隙率；(6)采用定常雷诺平均方法进行数值模拟；(7)构建响应面模型。本发明的基于多孔介质模型的中冷器优化设计方法，将多孔介质模型引入到中冷器的优化设计中，实现了基于中冷器整体模型的优化设计，打破了传统优化设计中基于中冷器局部模型的局限性。技术研发人员：李孝检,李金洋,刘正先受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29