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结合实验、仿真与机器学习的管内冷凝传热特性研究

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结合实验、仿真与机器学习的管内冷凝传热特性研究

作者：杨德松浙江大学

学位级别：硕士

目前,采用相变传热的各类型换热器凭借其优异的传热性能,被广泛应用于汽车、空调、电子设备散热以及航空航天等各领域之中;同时,利用强化传热技术来提升换热器的运行效率并缩小设备尺寸,是当下的重点研究方向。对于在冷凝换热器中常见... 详细信息

目前,采用相变传热的各类型换热器凭借其优异的传热性能,被广泛应用于汽车、空调、电子设备散热以及航空航天等各领域之中;同时,利用强化传热技术来提升换热器的运行效率并缩小设备尺寸,是当下的重点研究方向。对于在冷凝换热器中常见的管内冷凝流动过程而言,以往的研究工作尚不完善:首先,针对新型三维强化表面管道内冷凝流动特性的探究相对较少,对于其强化传热机理的解释不够明确;其次,以往的管内冷凝换热系数预测关联式在面对复杂多变运行工况时的计算误差较大,预测精度高且泛用性较好预测模型仍然缺失。对于管内冷凝传热领域现存的问题,本文综合采用实验测试、数值模拟与机器学习算法等多种手段开展了针对性研究,研究成果概况如下:在实验测试部分,本文对光滑管、粗糙表面管、两种二维强化表面管(内螺纹管、人字形微翅片管)和四种三维强化表面管(1-EHTa、1-EHTb、1-EHTc和2-EHT管)的管内平均与局部冷凝传热特性分别进行了探究,并利用实验数据拟合了换热系数预测关联式。实验中2-EHT管具有最高的强化换热倍率,约为1.38～1.63,同时新关联式的平均绝对误差均在6%以下。在仿真部分,本文利用CFD数值模拟的方法对制冷剂R134a在2 mm内径微通道光滑圆管内的冷凝流动进行了研究,并通过仿真结果分析了以往管内冷凝换热系数预测关联式的预测性能。在机器学习部分,本文采用机器学习算法建立了管内冷凝换热系数预测模型,并在模型构建过程中针对以往冷凝流动领域机器学习模型物理可解释性较差的问题进行了改进。首先建立了包含约2万组数据的管内冷凝流动数据集,随后结合了K-Means聚类算法、随机森林算法和XGBoost算法建立了集成式机器学习模型。该模型在包含约2万组数据的管内冷凝流动数据集上取得了5.24%的平均绝对误差,其预测精度远高于传统的换热系数预测关联式。

关键词：管内冷凝冷凝换热系数强化传热实验测试数值模拟机器学习

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蒸汽压力对IOSF管强化传热特性的影响

华南理工大学学报（自然科学版） 2001年第2期29卷 19-22页

作者：梁平龙新峰陈广怀庄礼贤谭盈科广东省电力专科学校仿真中心广东广州510520 华南理工大学教育部强化传热与过程节能重点实验室广东广州510640

根据笔者此前所建立的数学物理模型 ,在不同的冷凝换热温差下 ,进行了蒸汽压力对小螺旋角内外螺旋翅片管强化传热特性影响的模拟研究 .结果表明 ,小螺旋角内外螺旋翅片管的冷凝换热系数在蒸汽压力为 0 .6 5MPa时有最大值 ,且其强化传热... 详细信息

根据笔者此前所建立的数学物理模型 ,在不同的冷凝换热温差下 ,进行了蒸汽压力对小螺旋角内外螺旋翅片管强化传热特性影响的模拟研究 .结果表明 ,小螺旋角内外螺旋翅片管的冷凝换热系数在蒸汽压力为 0 .6 5MPa时有最大值 ,且其强化传热效果主要取决于冷凝换热强度 ,而受蒸汽压力的影响较小 .因此 ,对于蒸汽压力变化范围较大的电站回热加热器的强化传热 ,小螺旋角内外螺旋翅片管有明显的优点 .

关键词：小螺旋角内外螺旋翅片管回热回热器蒸汽压力强化传热冷凝换热系数 IOSF管电厂

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安全壳换热特性单项分离效应实验研究

核动力工程 2016年第S2期37卷 150-155页

作者：张友佳余诗墨张震白雪松昝元峰卓文彬闫晓王迎中国核动力研究设计院中核核反应堆热工水力技术重点实验室成都610041

安全壳的冷凝换热能力是影响非能动安全系统导出堆芯余热的关键因素之一。针对ACP100K模块化小型堆的非能动安全壳冷却系统开展了安全壳换热特性单项分离效应实验研究。采用冷却剂能量平衡法测量热流密度,主要研究了主流蒸气温度、主流... 详细信息

安全壳的冷凝换热能力是影响非能动安全系统导出堆芯余热的关键因素之一。针对ACP100K模块化小型堆的非能动安全壳冷却系统开展了安全壳换热特性单项分离效应实验研究。采用冷却剂能量平衡法测量热流密度,主要研究了主流蒸气温度、主流蒸气与冷凝壁面温差、主流蒸气质量流量、壁面倾斜角度和不可凝结气体对冷凝换热系数的影响。基于实验数据拟合得到了主流蒸气温度对冷凝换热系数的关系式。

关键词：安全壳冷凝换热系数单项分离效应实验不可凝结气体

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小热管强化传热的研究

工程热物理学报 2004年第2期25卷 299-301页

作者：吴晓敏朱竞飞王维城清华大学热能工程系北京100084

对五种内径相近的小热管在不同工怍温度(Tv)、热流密度(qe)及倾角(θ)下的传热性能进行了实验研究。五种热管带有不同吸液芯结构:微肋、丝网芯、加网芯微肋、金属粉末烧结芯及光滑表面。获得了各热管的蒸发换热系数和冷凝换热系数随(... 详细信息

对五种内径相近的小热管在不同工怍温度(Tv)、热流密度(qe)及倾角(θ)下的传热性能进行了实验研究。五种热管带有不同吸液芯结构:微肋、丝网芯、加网芯微肋、金属粉末烧结芯及光滑表面。获得了各热管的蒸发换热系数和冷凝换热系数随(Tv)、(qe)及(θ)等的变化规律,讨论了吸液芯结构等对热管蒸发及冷凝换热系数的影响。

关键词：小热管强化传热吸液芯结构蒸发换热系数冷凝换热系数

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R404A在水平内螺纹管中的冷凝传热研究

化学工程 2008年第5期36卷 16-19,27页

作者：南晓红罗昕岚 C．A．Infante Ferreira 西安建筑科技大学环境与市政工程学院陕西西安710055 代尔夫特理工大学机械、海洋与材料工程学院荷兰代尔夫特2628CA

经过实验与理论对比,研究了R404A在外径9.52 mm内螺纹管内局部平均冷凝换热系数。采用Cavallini纯工质与混合工质关联式分别计算的冷凝换热系数,最大偏差不到4%。在工程计算R404A内螺纹管内冷凝换热系数时,可将其以纯质来对待。分析比较... 详细信息

经过实验与理论对比,研究了R404A在外径9.52 mm内螺纹管内局部平均冷凝换热系数。采用Cavallini纯工质与混合工质关联式分别计算的冷凝换热系数,最大偏差不到4%。在工程计算R404A内螺纹管内冷凝换热系数时,可将其以纯质来对待。分析比较Cavallini,Yu-Koyama和Kaushink-Azer关联式,各自的理论预测值和实验结果相比,表明Cavallini关联式的预测精度最高,其标准偏差为7.76%。因此Cavallini关联式对于R404A在管内的冷凝换热预测有较好的适用性。研究结果对R404A冷凝器的工程设计及其优化具有一定的参考意义。

关键词：内螺纹管 R404A 关联式冷凝换热系数

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水平光滑细管内R32的冷凝换热特性

太阳能学报 2015年第11期36卷 2597-2604页

作者：王欢李敏霞杨英英马一太中低温热能高效利用教育部重点实验室天津大学机械工程学院天津300072

对流体R32在内径2mm的水平光滑圆管内的冷凝换热特性进行实验研究。实验设定的流体饱和温度为35、40和45℃，质量流量为100－500kg／（m2·S），热流密度7～28kW／m2。实验获得R32在不同工况下的冷凝换热系数和摩擦压降梯度。发现其换... 详细信息

对流体R32在内径2mm的水平光滑圆管内的冷凝换热特性进行实验研究。实验设定的流体饱和温度为35、40和45℃，质量流量为100－500kg／（m2·S），热流密度7～28kW／m2。实验获得R32在不同工况下的冷凝换热系数和摩擦压降梯度。发现其换热系数随质量流量增加而增大，随饱和温度提高而减小。入口干度和热流密度对其影响不大。摩擦压降梯度随质量流量增加而增加，相同质量流量下，随饱和温度升高而降低。并将该次实验值与其他经典换热模型和压降模型进行对比分析，发现Baird模型对该次实验的换热系数预测较好，MUller—Heck模型和Chisholm模型对R32的摩擦压降预测较好。

关键词： R32 小通道冷凝换热系数摩擦压降水平光滑管

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含不凝气体时煤油在水平管束外的冷凝

工程热物理学报 2003年第6期24卷 976-979页

作者：顾红芳陈听宽西安交通大学多相流国家重点实验室陕西西安710049

采用实验的方法,研究了在较宽的不凝气体含量范围内,煤油蒸汽在不同几何结构的螺旋扁管管束外的冷凝换热现象,得出了螺旋扁管的几何结构对冷凝换热的影响规律,并与同样条件下的光管管束的冷凝换热进行了分析比较。

关键词：不凝气体螺旋扁管煤油冷凝换热系数

R404A在5 mm小管径内冷凝换热特性研究

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热能动力工程 2019年第8期34卷 122-129页

作者：杨丁丁柳建华徐小进王学东中国船舶重工集团公司第七〇四研究所上海200031 上海理工大学能源与动力工程学院上海200093

搭建了一个单管冷凝换热特性测试实验系统,研究不同工况下R404A在5 mm小管径管内的冷凝换热系数变化。根据实验数据,建立了R404A在小管径内的冷凝换热模型,并通过偏差验证来论证新换热模型的可靠性。结果表明:R404A在小管径内冷凝换热... 详细信息

搭建了一个单管冷凝换热特性测试实验系统,研究不同工况下R404A在5 mm小管径管内的冷凝换热系数变化。根据实验数据,建立了R404A在小管径内的冷凝换热模型,并通过偏差验证来论证新换热模型的可靠性。结果表明:R404A在小管径内冷凝换热系数随冷凝饱和温度的上升而降低,随质量流速和干度的上升而上升,随热流密度的变化没有明显改变;当质量流速较大时,冷凝换热系数随着干度的增加,增大的趋势会更为明显,当干度较大时,冷凝换热系数随质量流速的增加,增加的幅度也更大;新关联式可以较好地预测R404A在5 mm内螺纹管的冷凝换热系数,且偏差最大为±20%。

关键词：小管径 R404A 冷凝换热系数换热模型

水平光滑细管内R1234ze冷凝换热特性实验研究

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制冷学报 2014年第4期35卷 58-66页

作者：李敏霞杨英英顾昊翔马一太天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室热能工程系天津300072

对流体R1234ze在内径2 mm 的水平光滑圆管内的冷凝换热特性进行了实验研究，设定流体饱和温度为35℃、40℃，质量流量为100~400 kg/（m2·s），热流密度为4~22 kW/m2。实验获得了R1234ze在不同工况下的冷凝换热系数和摩擦压降。发现R123... 详细信息

对流体R1234ze在内径2 mm 的水平光滑圆管内的冷凝换热特性进行了实验研究，设定流体饱和温度为35℃、40℃，质量流量为100~400 kg/（m2·s），热流密度为4~22 kW/m2。实验获得了R1234ze在不同工况下的冷凝换热系数和摩擦压降。发现R1234ze的冷凝换热系数范围在1.5~8 kW/（m^2·K）之间，且随干度的增加而增加，随质量流量的增大而增大，随饱和温度的升高而降低，比在相同工况下R134a 、R32的换热系数分别平均低约22％和31％。 R1234ze的摩擦压降随质量流量增加而增大，随饱和温度的升高而降低，高于相同工况下R32的摩擦压降。并将本次实验值与其它经典换热模型和压降模型进行了对比分析，发现Baird等人的模型对本次实验的换热系数预测较好，对其它文献中的相似数据点预测也较好。 Muller- Heck模型对摩擦压降预测最好。

关键词：制冷剂冷凝换热系数摩擦压降水平光滑管