第32卷第1期蘭州交通大學(xué)學(xué)報VolL 32 No, 1Feb. 20132013年2月Journal of Lanzhou jiaotong University文章編號:1001-4373(2013)01-0151-04DOI:10. 3969/j. issn. 1001-4373. 2013. 01. 034基于拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的肋片傳熱優(yōu)化設(shè)計曹茹(蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院,甘肅蘭州730070)摘要:以刪除溫度梯度低的單元為 優(yōu)化準(zhǔn)則,建立了肋片傳熱優(yōu)化數(shù)學(xué)模型.采用基于選擇邏輯的方法,利用Ansys中的APDL命令開發(fā)了數(shù)值求解程序.數(shù)值算例分析表明:基于溫度梯度準(zhǔn)則的ESO方法有很好的可行性和通用性.關(guān)鍵詞:肋片;ESO;溫度梯度;拓?fù)鋬?yōu)化中圖分類號:TK124;TU311.41文獻標(biāo)志碼:A .為了增強傳熱,增加肋片是工程中常見的一種.方法,而肋片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是節(jié)能的重要措施.文獻t←[1-4]中對矩形肋片等結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化和傳熱數(shù)值計算,文獻[5-7]中將漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法(Evolution-ary Structural Optimization,簡稱ESO)引人了熱分→析，文獻[8]探討了基于單位體積熱能準(zhǔn)則的ESO方法.本文在分析研究的基礎(chǔ)上，提出了基于溫度梯度準(zhǔn)則的ESO方法,通過該方法計算出了圓管環(huán)肋的最佳肋高,還對扁管方肋等肋片管進行了分析.該方法對熱交換器的工程設(shè)計有很好的指導(dǎo)作用和借圖1等截面直肋鑒意義.Fig 1 Straight fins of uniform cros - section輸出微元體的導(dǎo)熱量為1優(yōu)化模型的建立 與求解=中+.dx=@-λ.Ac ●●dxd1.1理論基礎(chǔ)(2)假設(shè)肋片表面上的換熱熱阻遠大于肋片中的導(dǎo)熱熱阻，等截面直肋肋片厚度方向的溫度變化可忽肋片表面與環(huán)境流體間的傳熱量為中=h.L.(T-T.)●dx.(3)略不計,溫度只沿肋高方向變化.肋基處的溫度為式中: T。為環(huán)境流體溫度; h為肋片與環(huán)境流體的To ,肋片頂端視為絕熱.如圖1所示,沿肋高方向取表面?zhèn)鳠嵯禂?shù).微元長度dr;若肋片的肋高為H,沿肋高方向的橫截面積為A. ,參與換熱的截面周長為L,微元體體積根據(jù)熱量守恒定律,對微元體進行熱量平衡,計算得為A.dx.由傅立葉定律[9]可得輸人該微元體的導(dǎo)熱量虹=十動將式(2)和式(3)代人式(4),整理后得肋片傳為熱方程:φ=-λ.A.φ(1)λ.A.C=h.L.(T- T)(5)式中:T為溫度;λ為肋片導(dǎo)熱系數(shù).肋片表面與周圍流體的對流傳熱量為中國煤化工收稿日期:2012-10-05基金項目:甘肅省自然基金(2008GS02607)YHCNMHG作者簡介:曹茹(1969-),女 ,陜西渭南人,副教授,主要研究方向為強化傳熱E-mail:caor@mail. lzjtu. m152蘭州交通大學(xué)學(xué)報第32卷φ={h.L.(T- T.).dx={x.A.dT.定值步驟5重復(fù)步驟2~步驟4直到熱強度達到規(guī)lx(6)上述優(yōu)化思想的流程圖(見圖2).據(jù)此,采用采用有限元法,對求解區(qū)域進行離散,選取插值A(chǔ)nsys中的APDL命令編制二次開發(fā)程序,優(yōu)化程函數(shù),經(jīng)過單元分析和組裝,并利用熱邊界條件即可序由2部分組成:初始設(shè)計分析程序和拓?fù)鋬?yōu)化程確定溫度場的節(jié)點溫度.序.其中通過選擇命令ESEL,U,,,i刪除溫度梯度[K]{T} = {P}(7)低的單元i.式中:[K]為結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)矩陣, {T}為結(jié)構(gòu)節(jié)點溫度首先運行初始設(shè)計分析程序,然后執(zhí)行基于列陣, {P}為結(jié)構(gòu)熱載荷列陣.ESO法的拓?fù)鋬?yōu)化程序.計算出肋片穩(wěn)態(tài)傳熱量:開始φ=: 2.