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机器学习在单相热流对流传热领域应用研究

机器学习在单相热流对流传热领域应用研究

作者：吴哲扬州大学

学位级别：硕士

瞬态热性能一直是各种热能和能源工程中备受关注的问题。通常,有三种常用方法可以获得瞬态热性能:实验、理论计算和数值模拟。但是,使用这三种传统方法获得瞬态热性能均存在不同程度的局限性。在实际热流传热工程中的大多数情况下,理论... 详细信息

瞬态热性能一直是各种热能和能源工程中备受关注的问题。通常,有三种常用方法可以获得瞬态热性能:实验、理论计算和数值模拟。但是,使用这三种传统方法获得瞬态热性能均存在不同程度的局限性。在实际热流传热工程中的大多数情况下,理论解决方案是不可行的;当工况发生变化的时候,单一的实验方案也不能给研究者带来普遍可信的结果;而数值模拟更是面临着效率极低的问题,对于一个液-固-热耦合的现象,它通常需要花费大量的时间来计算所需的瞬态信息。机器学习是一种强大有效的方法已经广泛应用于各大领域,但在机器学习建模中,特别是在大数据高精度回归问题中,对大量的训练数据较为依赖。遗憾的是,传热领域难以获得如此大量的数据,即训练数据并没有那么大,因此应该尽可能保持训练集所需数据规模较小,因为数据采集获取非常不方便。因此,需要在不牺牲预测准确性的情况下尽可能缩小训练集数据规模。本文首先提出了一种新颖的基于机器学习的数据驱动方法,通过从某些工况中(从上述三种方法获得)获得的数据,用以预测瞬态热性能其他工况。本文选择单相强制对流系统作为演示示例瞬态热性能,首先通过数值方法获得了 39个不同进水速度和热流密度的工况数据结果;然后,随机选择32个工况的数据作为训练数据集,而其他7个工况作为测试集。使用训练数据集,训练神经网络模型并给出测试集的高精度预测值,其中获得的平均准确度为97.3%。预测0至300 s瞬态性能的处理时间可以减少到1s,这表明训练出的模型具有超实时求解的良好特性。另外,在上述所提到的工作之上,基于主动学习的思想,提出了一种智能大小训练集数据的选择方法。智能大小的训练数据集规模在缩小了 50%的情况下,预测准确度仍有所提高。其中,最坏工况的预测准确率仍高于90%,比之前的结果提高了 3.5%。使用深度学习算法开发的小样本建模提供了一种强大的信息处理工具,可以增强对热流体力学中非线性系统的理解,甚至可以转换当前与热流体相关和更广泛应用的线路,所提出的方法也有望精确地模拟复杂的热流体系统。

关键词：对流传热机器学习瞬态性能超实时求解主动学习

水平圆管内超临界甲烷非均匀流场的对流传热特性

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哈尔滨理工大学学报 2021年第3期26卷 51-57页

作者：孙会芹韩昌亮李泽宇许麒澳杨宇航张欣悦哈尔滨理工大学化学与环境工程学院哈尔滨150001 哈尔滨理工大学机械动力工程学院哈尔滨150080

为了揭示超临界甲烷热交换器的对流传热机理,建立了求解固体壁面导热和超临界甲烷对流传热耦合模型,分析了水平圆管内超临界甲烷非均匀流场的对流传热特性。结果表明:超临界甲烷受热过程中,Re随着主流体温度升高而单调增加,Pr出现了波... 详细信息

为了揭示超临界甲烷热交换器的对流传热机理,建立了求解固体壁面导热和超临界甲烷对流传热耦合模型,分析了水平圆管内超临界甲烷非均匀流场的对流传热特性。结果表明:超临界甲烷受热过程中,Re随着主流体温度升高而单调增加,Pr出现了波峰和波谷双极值;受浮升力和重力的双重作用,圆管截面上超临界甲烷各项热物性均呈现“扭曲”和“分层”现象,并伴随着复杂的“二次环流”;圆管内壁温和内壁面热通量非均匀的分布特征,在圆管0°位置处达到最小值;对流传热系数峰值出现在拟临界温度附近,与管道压力相比,超临界甲烷对流传热特性受入口质量通量变化更为敏感。

关键词：超临界甲烷圆管非均匀对流传热二次环流

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管内插偏重式螺旋轮自转及对流传热特性

化工学报 2013年第8期64卷 2833-2838页

作者：彭德其田清俞天兰王伟强王志奇罗谷湘潭大学机械工程学院湖南湘潭411105 湖南工业大学机械清洗研究所湖南株洲412008

针对换热管内污垢在线清洗的难题,提出了管内插偏重式螺旋轮自动防除垢技术。理论分析了螺旋轮获得的自转动力矩,并通过实验研究其自转特性;进一步对管内插偏重式螺旋轮的对流传热特性进行实验研究,对比分析偏重因素对传热强化性能的影... 详细信息

针对换热管内污垢在线清洗的难题,提出了管内插偏重式螺旋轮自动防除垢技术。理论分析了螺旋轮获得的自转动力矩,并通过实验研究其自转特性;进一步对管内插偏重式螺旋轮的对流传热特性进行实验研究,对比分析偏重因素对传热强化性能的影响。结果表明:在一正一反交替连接时螺旋轮获得的自转速度最大,更有利于螺旋轮的旋转;传热温差为7℃时,管内插螺旋轮的总传热系数比内插螺旋线、内插扭带时分别提高22.2%和12%;传热温差为15℃时,内插不同偏重式螺旋轮的总传热系数与光管相比分别提高89%和112%,与内插普通螺旋轮的传热系数相比分别提高12%和25%,但相应的沿程阻力损失随之增加。考虑传热和阻力两方面因素,对上述管内插物的综合性能进行比较,结果显示内插偏重式螺旋轮的综合性能最好。

关键词：螺旋轮自转特性对流传热防除垢

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超临界压力正十烷对流传热实验及计算研究

实验流体力学 2014年第2期28卷 14-20页

作者：张磊张若凌肖世德张香文乐嘉陵西南交通大学机械工程学院成都610031 中国空气动力研究与发展中心高超声速冲压发动机技术重点实验室四川绵阳621000 天津大学化工学院天津300000

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件，利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验，目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1．5 mm、外径3．0mm、长度1300mm。采用K型... 详细信息

针对主动冷却超燃冲压发动机的实际工作条件，利用电加热管设备开展了超临界压力正十烷流动和传热特性实验，目的在于获得适用于发动机传热设计的燃料对流传热关联式。管子材料为不锈钢、内径1．5 mm、外径3．0mm、长度1300mm。采用K型热电偶测量管壁沿程外壁温。实验中正十烷压力约4．0～4．3MPa，温度约335～870K，流量分别为0．93、1．24和1．86g/s。正十烷的流动经历了层流、过渡和湍流3种流态。采用最小二乘法拟合实验数据，获得了正十烷在3种流态下的传热关联式。通过外壁温计算值与实验值的对比，验证了本文给出的传热关联式的适用性。

关键词：超临界压力正十烷对流传热关联式电加热管

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对流传热原理在服装设计中的应用分析

轻纺工业与技术 2017年第1期46卷 30-34页

作者：张兰蒋晓文西安工程大学服装与艺术设计学院陕西西安710048

基于现有文献,简述了对流传热在服装设计中应用的研究成果。选择了运动装和防寒服,研究并分析其在服装设计中如何应用对流传热原理,达到理想的热湿舒适性。在理论分析的基础上,选取一款夏作训练服对其结构设计中对流传热原理的应用进行... 详细信息

基于现有文献,简述了对流传热在服装设计中应用的研究成果。选择了运动装和防寒服,研究并分析其在服装设计中如何应用对流传热原理,达到理想的热湿舒适性。在理论分析的基础上,选取一款夏作训练服对其结构设计中对流传热原理的应用进行了详细的阐述。拟为运动装或功能性服装的热湿舒适性性设计提供一定的参考。

关键词：热湿舒适性通风设计服装开口对流传热

重力轴向分力及自转流动对旋流管内对流传热的影响研究

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重力轴向分力及自转流动对旋流管内对流传热的影响研究

作者：冯家杰广东工业大学

学位级别：硕士

自20世纪以来,旋流强化传热技术对换热设备对流换热的研究有很大的促进作用。鉴于轴向叶片旋流器无运动部件,占用体积小以及安装维修简便,被认为是较为理想的旋流强化传热技术之一。由于内置旋流器会占据部分流道,给流动系统带来一定的... 详细信息

自20世纪以来,旋流强化传热技术对换热设备对流换热的研究有很大的促进作用。鉴于轴向叶片旋流器无运动部件,占用体积小以及安装维修简便,被认为是较为理想的旋流强化传热技术之一。由于内置旋流器会占据部分流道,给流动系统带来一定的压力损失,且容易堵塞管道,其应用范围也受到一定的限制。因此,本文从旋流管内重力轴向分力的改变以及旋流器全流场自由转动两个层面去考虑问题。相比于水平旋流流动,充分合理运用旋流流场与重力轴向分力相互作用的效果,探究引导重力更多地有效作用在流体间的流动微团混合规律。相比于传统固定间距式的旋流器,基于全流场自由转动的方式,适当降低并保持足够的旋流强度,大大改善并弥补传统固定式轴向叶片旋流管内流动换热的不足。同时,全流场自由转动能大幅度降低压损,并能有效维持整体的旋流强度梯度。本文提出了基于重力轴向分力改变以及全流场自由转动的两种新思路来解决当前旋流换热“阻力大、换热性能低、旋流扰动不均匀”的不足之处。基于本文的两种新思路,构建一个适用于两种新思路的轴向叶片旋流管道内流动的传热模型。使用ANSYS Fluent 16.0软件对本文的数值模型进行数值模拟仿真研究,探究不同的叶片角度、雷诺数以及进口水温对旋流管内的传热以及压降特性的影响规律,分析比较不同工况下旋流管内流场的变化规律。在重力轴向分力改变的流动下,其模拟结果表明:雷诺数的提高可以弥补静压能所带来的消极影响时,但继续增大雷诺数时,方位角流动阻碍的落差程度就不显著了;重力的辅助作用加强了旋流场的旋流强度,外部高速区域对内部低速区域流动起到保护作用。当全流场自由转动时,其模拟结果表明:与无转动类型相比,雷诺数越大,转动方式所带来的实际换热效果反而不显著,但对综合换热性能的影响程度比较显著;自由转动方式降低了高旋流强度的区域密度分布,使得边界层高湍动能区域的能量转移至内部区域,缓解了边界高湍流耗散率的局面,有利于适当地提高传热传质的作用效应,并使得流场趋于均匀换热的流场状况等等。这些模拟结果为旋流器后续的结构优化以及旋流管的换热效果和阻力程度预测提供一定程度上的理论指导。

关键词：重力轴向分力自转流动旋流管对流传热数值模拟

涡流发生器强化自然对流与强制对流传热特性研究

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涡流发生器强化自然对流与强制对流传热特性研究

作者：李海珠河北工业大学

学位级别：硕士

涡流发生器由于具备结构简单、效率高、鲁棒性强等优点被广泛应用于传热传质中,本文采用数值研究方法对布置于通道内的涡流发生器在自然对流与强制对流工况下的换热及流阻特性进行了分析,并从利用涡激振动角度探寻了更加高效的强化传热... 详细信息

涡流发生器由于具备结构简单、效率高、鲁棒性强等优点被广泛应用于传热传质中,本文采用数值研究方法对布置于通道内的涡流发生器在自然对流与强制对流工况下的换热及流阻特性进行了分析,并从利用涡激振动角度探寻了更加高效的强化传热方法。基于涡流及二次流强化传热的思想,以增强综合换热特性为目标,分别对纵向涡流发生器应用于暖气片散热器的强化热输出问题、圆管内三角翼涡流发生器与扭曲带组合强化对流换热问题及二维通道内柔性涡流发生器的流-固耦合问题进行了研究,并获得了最佳方案。首先,提出将纵向涡流发生器应用于暖气片散热器以强化热输出,分析了纵向涡流发生器的几何参数及布置方式对热输出的影响。通过研究得到,将纵向涡流发生器应用于暖气片散热器中,与原散热器相比,在攻角为45°、布置间距为30 mm时显著提升了其热输出效率,可使热输出效率增大6.67%;当研究区域内的纵向涡流发生器数目增加,最大可提升近7.99%,且热辐射换热量占总换热量中的25.93%～34.94%。其次,以三角翼涡流发生器与扭曲带组合结构用于增强通道内的对流换热,在不同工况下评估了该组合结构中扭带的扭率,涡流发生器的攻角大小、布置间距与布置方式对管内综合换热性能的影响。得到,当扭曲带逆时针旋转时,组合结构的最优工况为交错布置,最佳扭曲率为4,且综合换热效果随着攻角的增大和扭曲率的减小而增大;在此工况下,组合结构可使换热增加59.2%～111.6%,阻力增大3.68～3.88倍,综合换热特性提升近96%～128%;当涡流发生器自中心位置逐渐靠近圆管壁面时使得强化换热效果更加显著,且在Re较低时展现出更佳的综合换热效果。最后,通过验证流-固耦合计算中所运用的数值计算方法,结合动网格与UDF技术研究了柔性涡流发生器在流场中的涡激振动,分析了不同类型、倾斜角涡流发生器及不同流动方式对通道换热的影响。在相同工况下,得到柔性涡流发生器的强化换热效果优于刚性涡流发生器。与光滑通道相比,在通道内布置刚性与柔性涡流发生器使得换热分别增强了30%～152%,95%～196%,倾斜角为135°与45°时的柔性涡流发生器对提升通道换热的效果相似,倾斜角为135°时的换热相对于光滑通道增加了85%～182%;脉动流动方式对于增强通道换热的效果最为显著,相对于光滑通道,脉动流与泊肃叶流使得换热分别增大了208%～229%,119%～209%。

关键词：涡流发生器双向流-固耦合涡激振动对流传热数值模拟

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对流传热综合实验装置的改进及应用

山东化工 2021年第3期50卷 224-225,227页

作者：梁克中黄美英王世成方思勇重庆三峡学院环境与化学工程学院重庆404100

对流传热学是化工原理实验教学内容中比较重要的一部分。为了适应培养应用型人才目标的要求和学校具体实验教学情况,对原来的对流传热综合实验装置进行分析改进和创新,减少实验装置的占地面积和节约了实验设备经费,增加了实验项目内容,... 详细信息

对流传热学是化工原理实验教学内容中比较重要的一部分。为了适应培养应用型人才目标的要求和学校具体实验教学情况,对原来的对流传热综合实验装置进行分析改进和创新,减少实验装置的占地面积和节约了实验设备经费,增加了实验项目内容,学生对实验操作学习更有兴趣,实验动手能力和分析解决问题的能力得到提升。

关键词：对流传热综合实验装置工程意识

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管内插钢丝螺旋间歇自转及对流传热特性

环境工程 2015年第S1期33卷 509-512页

作者：许杰中国石油大学(北京)过程装备实验室北京102249

针对换热管内污垢在线清洗与管壁磨损等问题,提出了管内插间歇自转钢丝螺旋自动防除垢技术。分析了间歇自转工作原理,并通过实验研究其自转特性;进一步对管内插间歇式自转钢丝螺旋的对流传热特性进行试验研究,对比分析了间歇自转因素对... 详细信息

针对换热管内污垢在线清洗与管壁磨损等问题,提出了管内插间歇自转钢丝螺旋自动防除垢技术。分析了间歇自转工作原理,并通过实验研究其自转特性;进一步对管内插间歇式自转钢丝螺旋的对流传热特性进行试验研究,对比分析了间歇自转因素对传热强化性能的影响。结果表明:管内插间歇自转钢丝螺旋大部分时间只振动不旋转,平均转速降低到连续自转钢丝螺旋的10%以下,解决了钢丝螺旋与换热管内壁的磨损问题,总传热系数与光管相比提高了37%,但相应的沿程阻力损失随之增加。

关键词：钢丝螺旋间歇自转对流传热防除垢