一種換熱器的不確定性設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種換熱器的不確定性設(shè)計(jì)方法，屬于傳熱技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]換熱器是將熱量從一種載熱介質(zhì)傳遞給另一種載熱介質(zhì)的裝置。由于各行業(yè)對(duì)換熱器性能的需求不同，因此逐漸產(chǎn)生了多種形式的換熱器，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、船舶、集中供暖、制冷空調(diào)、機(jī)械、食品、制藥等領(lǐng)域，航空航天領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃缘妮p質(zhì)換熱器也有著迫切的需求。
[0003]在換熱器設(shè)計(jì)中，大多數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)本身存在不確定性，如工作流體的氣動(dòng)熱力參數(shù)，換熱單元的尺寸、固體材料的導(dǎo)熱性，流體的熱物理性質(zhì)等，所用傳熱關(guān)系式也同樣存在不確定性。而在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，各設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性都被忽略不計(jì)，這些隨機(jī)變量被它們的名義值或期望值代替。這意味著，傳統(tǒng)的換熱器設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)時(shí)僅僅考慮了設(shè)計(jì)點(diǎn)的工況，利用設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)計(jì)算總換熱量、平均溫差等，最后求出總換熱面積。因此換熱器在實(shí)際工作中如果遇到工作狀況與設(shè)計(jì)點(diǎn)不同的情況，往往出現(xiàn)性能不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。這時(shí)，換熱器有可能無(wú)法完成設(shè)計(jì)任務(wù)，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)：Φ桨踩Ｓ行┰O(shè)計(jì)人員在利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法完成設(shè)計(jì)后，乘以一個(gè)保險(xiǎn)系數(shù)以保證換熱器有富裕的工作面積。但是，保險(xiǎn)系數(shù)的選取完全取決于設(shè)計(jì)人員的主觀判斷，不能保證換熱器能夠完成設(shè)計(jì)任務(wù)；即使能，這種盲目的增加也會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器尺寸和重量過(guò)大，使制造和維護(hù)成本大幅提高，造成不必要的浪費(fèi)。尤其對(duì)航空航天領(lǐng)域而言，重量是十分重要的參數(shù)指標(biāo)，所以不僅要避免換熱器在實(shí)際工作過(guò)程中的性能不達(dá)標(biāo)，還要盡可能減少換熱器帶來(lái)的重量的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題:克服了傳統(tǒng)換熱器設(shè)計(jì)方法僅能考慮設(shè)計(jì)點(diǎn)的弊端，所設(shè)計(jì)換熱器避免了在實(shí)際工作過(guò)程中遇到的性能不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。
[0005]本發(fā)明技術(shù)解決方案:一種換熱器的不確定性設(shè)計(jì)方法，步驟如下:
[0006](I)首先根據(jù)所設(shè)計(jì)換熱器的工作溫度、壓力、流體性質(zhì)、固體材料、周?chē)h(huán)境，列舉出所涉及的所有不確定因素，包括氣動(dòng)熱力參數(shù)、物理模型、幾何尺寸偏差、加工誤差、裝配精度；
[0007](2)利用不確定性分析手段，對(duì)第一步列出的各項(xiàng)不確定因素的影響大小分別進(jìn)行敏感性分析，其具體步驟如下:首先給定待分析的單項(xiàng)不確定因素的分布規(guī)律，并給出換熱面積與待分析不確定因素的函數(shù)關(guān)系，之后進(jìn)入反復(fù)模擬階段，在每次模擬中為不確定因素選取一個(gè)隨機(jī)值，計(jì)算與該值相對(duì)應(yīng)的換熱面積，待模擬次數(shù)足夠后，就得到了換熱面積的集合，統(tǒng)計(jì)其概率密度分布就可以得到換熱面積對(duì)該項(xiàng)不確定因素的敏感性，而后可對(duì)所有不確定因素都重復(fù)此項(xiàng)處理，即得到了各項(xiàng)不確定因素的影響敏感性；
[0008](3)根據(jù)步驟(2)中的得到的敏感性分析結(jié)果，將各項(xiàng)不確定因素的影響敏感性按照從大到小降序排列，即可篩選出其中的主要影響因素，出于減小計(jì)算量的考慮，選取出若干項(xiàng)敏感性最強(qiáng)的影響因素，作為換熱器不確定性設(shè)計(jì)中的主要影響因素；
[0009](4)依據(jù)步驟(3)中的篩選出的主要影響因素，需要考慮其綜合影響進(jìn)行不確定性設(shè)計(jì)，得到換熱器設(shè)計(jì)的置信度與換熱面積的定量關(guān)系，其具體步驟如下:首先分別給定主要影響因素中每一項(xiàng)的分布規(guī)律，并給出換熱面積與不確定因素的函數(shù)關(guān)系，之后進(jìn)入反復(fù)模擬階段，在每次模擬中都為每一不確定因素選取一個(gè)隨機(jī)值，計(jì)算此次模擬中相對(duì)應(yīng)的換熱面積，待模擬次數(shù)足夠后，就得到了換熱面積的集合，統(tǒng)計(jì)其累積概率密度分布就可得到了換熱器設(shè)計(jì)的置信度與換熱面積的函數(shù)關(guān)系；
[0010](5)利用步驟⑷中的得到的設(shè)計(jì)置信度與換熱面積的函數(shù)關(guān)系，可以使設(shè)計(jì)置信度與換熱面積實(shí)現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)置信度所對(duì)應(yīng)的換熱面積作為最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0011]所述步驟(I)中的氣動(dòng)熱力參數(shù)包括流體的溫度、壓力、流量及物性參數(shù)，物性參數(shù)包括定壓比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度、密度。
[0012]所述步驟(I)中的物理模型包括:流體換熱與流動(dòng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式、換熱器中流體混合與非混合的界定因素，或?yàn)槠渲卸喾N的組合應(yīng)用。
[0013]所述步驟(3)中的選取出5-8項(xiàng)敏感性最強(qiáng)的影響因素，作為換熱器不確定性設(shè)計(jì)中的主要影響因素。
[0014]所述步驟(5)中選取95%設(shè)計(jì)置信度所對(duì)應(yīng)的換熱面積作為最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有方法相比的優(yōu)點(diǎn):克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中僅能考慮設(shè)計(jì)點(diǎn)的弊端；通過(guò)換熱器的不確定性設(shè)計(jì)，夠反映換熱器設(shè)計(jì)的置信度與換熱面積的定量關(guān)系；既避免了換熱器在實(shí)際工作過(guò)程中性能不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象，又盡可能地減少了換熱器重量的增加，有效節(jié)約成本；適用范圍廣泛，可用于多個(gè)領(lǐng)域的換熱器中的多種不確定因素的設(shè)計(jì)，滿足了航空航天領(lǐng)域?qū)Q熱器性能的高要求，又能廣泛應(yīng)用在其它各領(lǐng)域中。。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為換熱器設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方法流程圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的換熱器不確定性設(shè)計(jì)方法流程圖；
[0018]圖3為對(duì)各不確定因素進(jìn)行敏感性分析的方法流程圖；
[0019]圖4為氣動(dòng)熱力參數(shù)不確定性因素的敏感性；
[0020]圖5為考慮各主要影響因素綜合影響進(jìn)行不確定性設(shè)計(jì)的方法流程圖；
[0021]圖6為通過(guò)不確定性設(shè)計(jì)建立的置信度與換熱面積的函數(shù)關(guān)系圖。
具體實(shí)施方案
[0022]實(shí)施例:
[0023]用于某型預(yù)冷器設(shè)計(jì)，其中主流為空氣，冷卻介質(zhì)為氦。設(shè)計(jì)要求該換熱器的一種工質(zhì)為空氣，流量為150kg/s，經(jīng)過(guò)換熱器后空氣溫降為250K?？諝鈮毫?.5MPa，入口溫度為750K ;使用氦作為冷卻工質(zhì)，壓力為15MPa，溫度為300K。
[0024]如果根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)時(shí)僅能考慮設(shè)計(jì)點(diǎn)工作狀態(tài)，其流程如圖1所示。首先得到在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)兩種工質(zhì)的物性參數(shù)，空氣物性參數(shù)為:密度2.39kg/m3，比熱容1082.6J/(kg*K)，動(dòng)力粘度3.5E-5，導(dǎo)熱系數(shù)0.052。氦物性參數(shù)為:密度18kg/m3，比熱容5181.8J/ (kg*K)，動(dòng)力粘度2.4E-5，導(dǎo)熱系數(shù)0.19?？倱Q熱量為40.6MW，計(jì)算得所需氦流量為52kg/s，溫升為150K，換熱器平均溫差為246.6K。換熱單元形式為圓管，氦在圓管內(nèi)流動(dòng)，圓管外徑2_，壁厚為0.5_。根據(jù)流量與流通面積分別計(jì)算空氣與氦的流動(dòng)速度，由此確定管外的換熱系數(shù)為1563，管內(nèi)的換熱系數(shù)為17564。最后計(jì)算出所需換熱面積為103.87m2。
[0025]而使用本發(fā)明的不確定性設(shè)計(jì)方法，則可以根據(jù)該預(yù)冷器的工作環(huán)境，考慮包括物理模型、氣動(dòng)熱力參數(shù)、幾何尺寸偏差和加工誤差等多方面的不確定因素，其流程如圖2所示。
[0026](I)首先列舉出所涉及的不確定因素，在本實(shí)施例中，物理模型不確定性包括對(duì)換熱器中流體混合與非混合的界定、流體換熱與流動(dòng)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式等，在此僅考慮流體換熱與流動(dòng)參數(shù)關(guān)聯(lián)式的不確定性。氣動(dòng)熱力參數(shù)的不確定性是指換熱器的工作狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)導(dǎo)致的工作流體的氣動(dòng)熱力參數(shù)的改變，包括內(nèi)、外側(cè)工作流體的溫度、流