相變蓄熱裝置不確定傳熱過程及最佳化設計方法研究

《相變蓄熱裝置不確定傳熱過程及最佳化設計方法研究》是依託北方工業大學，由李志永擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：相變蓄熱裝置不確定傳熱過程及最佳化設計方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李志永
• 依託單位：北方工業大學

項目摘要

由於相變材料構成、加工工藝等原因，不可避免的存在著相變材料熱物性、幾何尺寸等的不確定性。但目前對相變蓄熱裝置傳熱特性的研究都是基於確定性傳熱分析模型（將不確定參數作為確定量處理）基礎上。若以確定性模型的計算結果為設計依據則極易導致相變蓄熱裝置投資過大或換熱能力過小等問題。本課題考慮到相變蓄熱裝置傳熱過程中影響因素（相變材料熱物性、幾何尺寸等）的不確定性，對相變蓄熱裝置不確定傳熱過程及最佳化設計方法進行了研究。.本課題首先通過實驗研究分析不確定性影響因素對相變蓄熱裝置熱回響（不確定性溫度場、出口溫度等）的影響規律。然後將不確定數學方法（主要為隨機數學方法和區間數學方法）與數值傳熱學等理論結合建立蓄熱裝置的不確定數值傳熱模型並套用攝動法進行求解。最後建立了基於區間數學方法的相變蓄熱裝置最佳化設計方程組（包括目標函式及不確定性約束條件）並進行求解。相關研究成果可以為蓄熱裝置的工程套用提供理論基礎。

結題摘要

由於相變材料構成、加工工藝等原因，不可避免的存在著相變材料熱物性、幾何尺寸等的不確定性。但目前對相變蓄熱裝置傳熱特性的研究都是基於確定性傳熱分析模型（將不確定參數作為確定量處理）基礎上。若以確定性模型的計算結果為設計依據則極易導致相變蓄熱裝置投資過大或換熱能力過小等問題。本課題考慮到相變蓄熱裝置傳熱過程中影響因素（相變材料熱物性、幾何尺寸等）的不確定性，對相變蓄熱裝置不確定傳熱過程及最佳化設計方法進行了研究。本課題主要研究成果如下： 1）為了定量研究相變材料的不確定傳熱過程，需要知道相變材料參數在某種隨機分布下對相變材料熱回響的影響。但對於實際的相變蓄熱裝置來說，相變材料的參數的分布函式是極難得到的。但對於實驗研究來說，想直接控制相變材料某個參數，使其符合某種分布，基本是不可能的。本課題提出了一種加熱器控制裝置，該控制裝置可以使加熱器產生不同隨機分布函式的加熱功率，通過以加熱功率模擬相變材料的相變潛熱，實現了控制相變潛熱符合某種隨機分布的目的，實現了裝置不確定傳熱過程的實驗研究。 2）將相變溫度、相變潛熱、材料尺寸作為隨機變數，其他參數視為常數，通過將不確定性數學中的“區間數”分析方法與有限差分方法結合，將不確定因素的變化範圍看作一個“區間數”，建立了蓄熱裝置的“區間數”數值傳熱模型。並套用攝動方法對模型進行了求解。研究表明：考慮相變蓄熱裝置的不確定性傳熱過程是必要的。 3）基於蒙特卡羅方法，套用隨機模型，對參數不確定度對相變蓄熱裝置蓄、放熱過程的影響進行了分析。重點研究了不同參數在不同不確定度下對相變材料溫度變化產生的影響。利用蒙塔卡羅方法研究發現，相變溫度的偏差度對相變材料溫度的影響最大，其次為管間距，導熱係數與對流換熱係數對相變材料溫度的影響最小。本課題提出的蒙特卡羅計算模型可以對相變材料參數隨機變化產生的影響進行分析，對相變蓄熱裝置的最佳化有一定借鑑意義。