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多股流换热器通道排列优化设计研究

作　者: 郭佳
导　师: 崔国民
学　校: 上海理工大学
专　业: 工程热物理
关键词: 多股流换热器通道排列全局最优化模拟退火算法蒙特卡罗法
分类号: TK172
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 58次
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内容摘要

换热器是能源系统利用中的重要设备,而多股流换热器是多种流体同时进行换热的热交换设备,能够同时实现多种流体的热交换,不但能使设备的投入费用大幅度降低,而且可以实现特殊的工艺过程,故被广泛应用于石油化工、航空、动力机械、车辆、电子等领域。从流体的组合方式上考虑,多股流换热器与两股流换热器相比结构更为紧凑,而且换热过程更为复杂,在流动和传热方面亦呈现出许多新特点和问题。比如在多股流换热器的设计过程中,较为复杂的一个问题就是如何进行冷、热流体的通道分配与流体通道排列方式的选择等问题,目前还没有成熟理论和方法。鉴于此,本文以提升多股流换热器的综合性能为目标,以蒙特卡罗法与模拟退火算法作为理论工具,以多股流换热器结构性能连续性原理为基础,建立了一种操作性强的、评价指标科学的多股流换热器通道排列优化方法,主要工作和取得的成果如下:首先,根据化工过程系统中的性能连续性原理,提出了多股流换热器结构性能连续性原理,随后进行多股流换热器结构性能连续性原理在通道排列上的理论验证,为下一步算法的引入进行了前期的理论证明;继之,采用蒙特卡罗随机抽样的通道排列优化方法,得到相对于确定流体组织下的基于换热量最优的通道排列布置方案,实现了给定流体组织的多股流换热器的优化设计计算;在前述工作的基础上,进行连续性序列的生成:包括逐位递进序列、基于子程序的序列、M进制序列的生成。研究分析影响不同通道排列变化方式得到的换热器性能连续性,得到一种较优的通道排列性能连续性变化序列的生成方案;最后,利用生成的结构性能连续性序列,引入模拟退火算法实现多股流换热器的全局优化,得到了一种实用、有效的多股流换热器通道排列优化方法。总之,本文开拓了多股流换热器通道排列优化的一种新方法。即将随机抽样方法和模拟退火方法相结合,分别获得多股流换热器通道排列方式的相对最优解和全局最优解,将换热能力评价指标应用到优化过程之中,建立了一种操作性强的多股流换热器通道排列优化方法。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 课题的背景和意义  8-10
  1.2 国内外研究现状  10-13
  1.3 本文主要研究内容  13-15
第二章结构性能连续性原理的提出及验证  15-28
  2.1 概述  15
  2.2 多股流换热器流体通道布置的基本思想与原则  15-17
  2.3 通道排列传统布置方法中存在的问题分析  17-19
    2.3.1 温度交叉传递现象与热量内耗  17
    2.3.2 冷热流体配置问题  17-18
    2.3.3 通道数目对于有效布置通道排列的影响  18-19
    2.3.4 问题汇总与小结  19
  2.4 多股流换热器通道排列结构性能连续性原理  19-20
  2.5 多股流换热器通道排列结构性能连续性原理的验证  20-27
    2.5.1 基于小型结构通道的验证  21-23
    2.5.2 中等结构问题的验证  23-25
    2.5.3 大型结构问题的验证  25-27
  2.6 本章小结  27-28
第三章结构性能连续性原理下的多股流换热器通道排列问题相对最优解  28-46
  3.1 通道排列随机抽样的应用基础——结构性能连续性原理  28-29
  3.2 通道排列的蒙特卡罗随机抽样优化  29-37
    3.2.1 原理及目标  29-30
    3.2.2 随机数序列的生成  30-33
    3.2.3 通道排列方式随机序列的生成  33-36
    3.2.4 优化方法的实现  36-37
  3.3 优化实例与分析  37-44
    3.3.1 抽样次数对精度的影响  37-40
    3.3.2 随机数对精度的影响  40-42
    3.3.3 采用蒙特卡罗方法优化实例  42-44
  3.4 本章小结  44-46
第四章结构性能连续性序列的生成  46-59
  4.1 引入结构性能连续性序列的理论论证  46-48
    4.1.1 通道排列的本质分析  46-47
    4.1.2 结构性能连续性原理及优化序列的引进  47-48
  4.2 结构性能连续性序列的生成  48-56
    4.2.1 结构性能连续性序列的生成规则之一 —— 递推法  48-50
    4.2.2 结构性能连续性序列的生成规则之二 —— M 进制法  50-53
    4.2.3 结构性能连续性序列的生成规则之三 —— 区域渐阔法  53-56
  4.3 三种序列生成方式小结  56-57
  4.4 本章小结  57-59
第五章多股流换热器通道排列的全局最优解  59-68
  5.1 多股流换热器通道排列问题的全局最优解  59-60
  5.2 模拟退火算法  60-61
  5.3 模拟退火算法的改进与方法实现  61-64
  5.4 数值计算与分析  64-67
    5.4.1 多股流换热器通道排列优化  64-66
    5.4.2 存在的问题分析  66-67
  5.5 本章小结  67-68
第六章结论  68-70
  6.1 主要研究结论  68
  6.2 进一步研究建议  68-70
附录  70-71
主要符号表  71-72
参考文献  72-77
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果  77-80
致谢  80

多股流换热器通道排列优化设计研究

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