基于遺傳算法的中冷器的設(shè)計方法

1、基于遺傳算法的空空中冷器設(shè)計方法研究所投刊社及刊社評論 | 作者個人資料 投票0條評論 收藏 推薦本文 博客引用 作者:蘇石川1 曾緯1 周懷南2 所屬分類: 動力工程所投刊社及刊社評語動力工程雙月刊 評語: 窗體頂端暫無評語 窗體底端正文 字體大?。捍?中 小基于遺傳算法的空空中冷器設(shè)計方法研究 蘇石川1 曾緯1 周懷南2 （1. 江蘇科技大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003) （2. 揚州通順散熱器有限公司，揚州） 摘要：選擇某增壓柴油機空空中冷器為對象，應(yīng)用遺傳算法對其進行優(yōu)化設(shè)計，提出了快速獲取中冷器最優(yōu)化芯體結(jié)構(gòu)的方法。通過風(fēng)洞實驗與實機驗證研究發(fā)現(xiàn)，該優(yōu)化計算的結(jié)果與實驗結(jié)

2、果吻合良好，計算與試驗結(jié)果表明使用該方法設(shè)計的中冷器，在保證低于最高阻力損失0.08bar下，其傳熱系數(shù)最大可提高19.3%。在中冷器的設(shè)計方面具有明顯的優(yōu)點，為同類緊密型換熱器的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計提供了參考。 關(guān)鍵詞：中冷器；遺傳算法；最優(yōu)結(jié)構(gòu) 中圖分類號：TK423 文件標識碼：A Using the Genetic Algorithm to Investigate the Design Method of the Vehicle Used Intercooler Su Shichuan1，Zeng Wei1，zhouhuainan2 (1.College of Machine and Powe

3、r engineering , Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China ) (2. Yangzhou Tongshun Radiator Ltd. Co.) Abstract: Using genetic algorithm to optimize the vehicle used intercooler, obtaining the method of gaining optimum core configuration of the intercooler fleetly. The cool

4、ing capacity of intercooler designed by this method may enhance 19.3, and the pressure drop is less than 0.08bar, the results of tunnel test and the diesel engine running test are well agreement with the calculation. The method has many visible advantages and supplies the valuable references to the

5、optimal design of intercooler. Key Words: Intercooler; Genetic Algorithm; Optimum Configuration 引言 目前，增壓柴油機已成為基本機型。增壓中冷已成為提高柴油機性能的重要手段，它能降低增壓后的空氣溫度，增加柴油機的循環(huán)進氣量，提高發(fā)動機的經(jīng)濟性，節(jié)省能源，降低排放。目前中冷器設(shè)計一般是通過從計算到實驗、再指導(dǎo)計算的反復(fù)循環(huán)來實現(xiàn)的，設(shè)計周期長，需要消耗大量的人力、物力。遺傳算法是一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法，不受搜索空間的限制性假設(shè)的約束，對復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化具有較強的魯棒性1，將遺傳算法引入中冷器設(shè)計

6、之后，可以迅速的找到最優(yōu)值，極大的縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本。 1.模型 1.1 中冷器設(shè)計計算模型 對于中冷器，散熱能力強，阻力損失小是最理想的效果。因此,中冷器的計算模型是以長、寬、高（LWH）有限空間范圍和最大阻力損失為約束條件，以傳熱系數(shù)、阻力損失和散熱面積為計算對象的多目標函數(shù)2。傳熱系數(shù)的計算以熱平衡為基礎(chǔ)，以下為其計算模型3： =c(I-o)； （1） C=CC(CO-CI)； （2） =C； （3） 其中，C ， 為冷熱側(cè)的換熱量，兩者和總換熱量相等，C， 為冷熱側(cè)的質(zhì)量流量， 為定壓熱容，為溫度。由計算可得以下傳熱系數(shù)方程4： K=f(,d, C，Rn，A) （4） K=1/

7、（1/hb+Rn+Ab/（hw*Aw） （5） 阻力損失方程為： P=f(, d, l) （6） P=*2*（C1*L/（ReC2*D）+C3） （7） （4）至（7）式中K為中冷器傳熱系數(shù)，為流體流速，d為特征長度，L為芯部長度，為材料熱導(dǎo)率，為動力粘度，為密度，C為定壓熱容，Rn為各種熱阻，A為散熱面積，hb和hw為熱、冷側(cè)的換熱系數(shù)，C1，C2，C3為不同努謝爾特數(shù)下的常量。其中，散熱面積和特征長度主要由中冷器通道數(shù)N，翅片的個數(shù)M和尺寸（包括翅片長度l、寬度w、高度h），以及 中冷器的芯部尺寸(長度L，寬W，高H)定的。 A=f(N，M，L，W，H，l，w，h) （8） 因此，優(yōu)化設(shè)計

8、的目標函數(shù)為： K=max f(,d, C，Rn，A) （9） A=f(N，M，L，W，H， l， w，h) （10） 其約束條件為： P= f(, d, l)Pmax （11） LminLLmax （12） WminWWmax （13） HminHHmax （14） 1.2 基于遺傳算法的優(yōu)化模型 遺傳算法是一種基于生物自然選擇與遺傳機理的隨機搜索算法，是一種有效解決最優(yōu)化問題的方法，對復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化具有較強的魯棒性，其主要步驟包括：編碼、初始群體生成、置信度（適應(yīng)度）評估、選擇、交叉和變異5。 在多目標函數(shù)模型中，編碼的總置信度是每個目標函數(shù)編碼置信度的乘積，所以，其單個目標函數(shù)編碼的置信

9、度大于總置信度，因此，其單個目標函數(shù)編碼的置信度可選取較大值，進一步提高其最優(yōu)解的準確度。圖1為基于遺傳算法的中冷器優(yōu)化計算框圖。 2. 實例應(yīng)用 2.1 中冷器技術(shù)要求 柴油機的增壓比為2.1，中冷器采用鋁質(zhì)材料。冷卻介質(zhì)進口狀態(tài)為：溫度為25，壓力為1個大氣壓。根據(jù)設(shè)計要求，與該機型相匹配的中冷器芯部最大尺寸為：LWH65553070mm。阻力損失 0.08bar。 2.2計算結(jié)果與分析 本文以常用的板翅式中冷器為例，此形式使用范圍較廣。選用IFN（發(fā)動機連續(xù)工作24個小時，其中有一個小時超負荷運行）中轉(zhuǎn)速為2300轉(zhuǎn)時的工況進行計算，由于優(yōu)化計算程序只與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，所以選用任意工況都將

10、得到相同的收斂結(jié)果。 對于中冷器的結(jié)構(gòu)，芯部參數(shù)范圍為： LWH(605-655)(490-530)(65-70)mm。另外，其它結(jié)構(gòu)按廠方要求取定值。見圖2，翅片厚度W1，通道的高度H1，翅片節(jié)距J，翅片長度L1等。 遺傳算法的運行參數(shù)，取每1mm為一個步長，則一共存在1萬個個體，選擇的總置信度取為95%，交叉概率為0.6，變異概率取為0.001，疊代200次，170次以后收斂，則所得芯部尺寸最優(yōu)值為：LWH64952770，P沒有超過限值，同時K達到最大6。最優(yōu)值見表2。從表2.可以看出，厚度為最大值70mm，這是因為：式（5） 中，熱阻Rn為定值， K正比于當(dāng)量直徑，當(dāng)量直徑又取決于翅片

11、的節(jié)距J與高度H1（此兩個數(shù)據(jù)均按要求取定值），與芯部厚度無關(guān)，而冷熱側(cè)散熱面積之比Ab/Aw與芯部厚度成反比，所以換熱系數(shù)K正比與芯部厚度；由（7）可明顯看出，厚度的增加與熱側(cè)阻力損失無關(guān)。總之，厚度在此程序中是單調(diào)遞增的，無論其如何變化都不會影響其它參數(shù)的選取，也就是說無論其它參數(shù)怎么選取，厚度都會取得最大值。因此，在以下實驗中固定厚度70mm不變7。 從表2可見K的最大值不在尺寸最大處取得，尺寸的增加只會增加散熱面積，由(4)式可見，K值是由LWH構(gòu)成的復(fù)雜函數(shù)，無單調(diào)性，因此K值的變化很復(fù)雜，即其散熱量也有復(fù)雜的變化趨勢。 3 實驗研究 3.1 風(fēng)洞實驗 實驗?zāi)M柴油機工作狀態(tài)，將熱側(cè)

12、通道的空氣，用壓縮機將增壓空氣壓至2.1個大氣壓狀態(tài)，然后將其轉(zhuǎn)換到指定溫度。冷側(cè)的氣體用風(fēng)機鼓入。取當(dāng)?shù)貧鉁貫?5，并且保持熱側(cè)進口溫度不變。通過實驗裝置測出兩側(cè)的進出口溫度和熱側(cè)阻力損失，應(yīng)用電加熱平衡測算出換熱量，計算傳熱系數(shù)。 由于樣本多達1萬個，不可能全部測試，而且由于測試精度和原材料有限，實驗選取5個整數(shù)點，并按照這5組數(shù)據(jù)制作5個芯部樣品，樣品尺寸見表3，長度L全部為70mm，裝入風(fēng)洞實驗臺，進行測試，測試數(shù)據(jù)見圖4和6，當(dāng)HW=527649時K取得最 大值為102.8 W/m2k，P為4990pa。從圖中可以看出，風(fēng)洞實驗很好的驗證了計算的結(jié)果，兩者吻合良好。圖3和5為10個數(shù)

13、據(jù)點的計算 值，K為106.4 W/m2k（最大值）時P為4800pa。 表4為計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗之間誤差。樣品3是傳熱系數(shù)K的最大誤差點，樣品6是阻力損失P的最大誤差點，同時也是最優(yōu)點。產(chǎn)生誤差的主要原因有： （1） 實驗時，溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)會隨著環(huán)境的變化而發(fā)生變化； （2） 計算時準則數(shù)系數(shù)的選取也不可能完全符合實際情況； （3） 樣本數(shù)的選取還不足夠多。 3.2 實機驗證 將風(fēng)洞實驗制作的5個芯部樣品安裝致該型柴油機上，在技術(shù)要求中的IFN（發(fā)動機連續(xù)工作24個小時中有一個小時超負荷運行）工作狀態(tài)下轉(zhuǎn)速為2300轉(zhuǎn)時的工況下測試熱流體出口溫度。環(huán)境溫度為26，進口溫度為152.6。

14、測試結(jié)果見表4。 可見最優(yōu)尺寸結(jié)構(gòu)（樣品6）的性能完全滿足技術(shù)要求。 4. 結(jié)論 1) 通過遺傳算法對中冷器進行優(yōu)化，使得換熱器的換熱能力提高19.3，得到了比較理想的效果； 2） 試驗結(jié)果表明在空空中冷器的設(shè)計中使用遺傳算法能夠極大的優(yōu)化中冷器的結(jié)構(gòu)，提高準確率，縮短設(shè)計周期和降低設(shè)計成本； 3） 該方法為同類中冷器等產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計提供了高效、準確的方法，該方法已在產(chǎn)品設(shè)計中加以使用，效果良好。 參考文獻： 1 蔡自興. 智能控制基礎(chǔ)與應(yīng)用M. 國防工業(yè)出版社. 1998. 2 Cho S M. Basic Thermal Design Methods for Heat Exchangers

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