[发明专利]一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法

权利要求书

1.一种多股流板翅式换热器流体通道排列的优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，设一个多股流板翅式换热器，其中有n_h种热流体和n_c种冷流体进行换热，已知热流体h_i(i＝1，2...，n_h)的质量流量进口温度出口温度和通道层数冷流体c_j(j＝1，2...，n_c)的质量流量进口温度出口温度和通道层数

根据已知条件和流体比热物性，计算换热器热流体h_i和冷流体c_j的单通道热负荷，即和

qhi=Qhi/Nhi]]>

qcj=Qcj/Ncj]]>

公式中，是热流体h_i放出的热量，符号为“-”，是冷流体c_j吸收的热量，符号为“+”；

第二步，将待优化的通道排列表示成二进制串染色体x＝[x₁，x₂，...，x_l]，其确定方法如下：当热流体通道总数时，染色体x的前n_c位将和换热器n_c种冷流体c_j(j＝1，2...，n_c)一一对应，位值为1代表相应的冷流体被选中，位值为0则代表相应的冷流体未被选中；接下来染色体x的后n_h位将和换热器的n_h种热流体h_i(i＝1，2...，n_h)一一对应，同样，位值为1代表相应的热流体被选中，位值为0则代表相应的热流体未被选中，然后染色体x再接n_c位与这n_c种冷流体c_j(j＝1，2...，n_c)一一对应，即形成一个冷流体包围热流体的二进制子串，之后，这个位子串重复次，就得到整个染色体x＝[x₁，x₂，...，x_l]，其长度依次类推，当热流体通道总数时，则上述染色体x的二进制子串变为热流体包围冷流体，即有2n_h+n_c位，重复此子串次后得到相应的通道排列染色体x＝[x₁，x₂，...，x_l]，其中l=(2nh+nc)×Σj=1ncNcj;]]>

第三步，建立通道排列染色体x的适值函数或者是目标函数F(x)，即

F(x)=min(min(fw1(x)),min(fw2(x)),....,min(fwk(x)),...)]]>

上式中：下标w_k(k＝1，2，...，p)代表p种不同的通道束位置权重分布，代表在w_k通道束位置权重分布下，染色体x的zigzag曲线各线段中点并考虑线段长度权重的均方根偏差，从公式中可以看出，适值函数F(x)包括两级优化，即首先在固定通道束位置权重分布w_k(k＝1，2，...，p)下，优化染色体x的zigzag曲线各线段中点的均方根偏差，得到其最小值以及所对应的染色体x，然后在此基础上，比较p种不同通道束位置权重分布下的计算结果，最终取他们中的最小均方根偏差值所对应的染色体x作为优化结果；上述p种不同通道束位置权重分布w_k(k＝1，2，...，p)的形成过程如下：首先将第二步构造的通道排列染色体x首尾连接形成一个染色体环，则当热流体通道总数时，环上代表热流体通道束的n_h个相连基因和代表冷流体通道束的2n_c个相连基因，或者当热流体通道总数时，环上代表热流体通道束的2n_h个相连基因和冷流体通道束的n_c个相连基因将交替出现，以通道束为单位，环周将被均匀分割为2Σi=1nhNhi(Σi=1nhNhi≤Σj=1ncNcj)]]>或2Σj=1ncNcj(Σi=1nhNhi>Σj=1ncNcj)]]>等份，每份的端点则与环上每个冷热通道束位置一一对应，任选一个端点作为染色体环的起始端点，赋予其位置权重为0，则对应直径的另一端点位置权重为1，而其他两侧端点则以该直径为对称轴，位置权重依次从0到1均匀递增，记此时的权重分布代号为w₁；然后w₁绕着环心顺时针或逆时针转动α度形成位置权重分布w₂，接着w₂继续绕着同一方向转动同一角度形成位置权重分布w₃，直到转动到第p-1次形成位置权重分布w_p，其中当Σi=1nhNhi≤Σj=1ncNcj,]]>α=3602Σi=1nhNhi,]]>p=Σi=1nhNhi+1;]]>而当Σi=1nhNhi≤Σj=1ncNcj,]]>α=3602Σi=1nhNhi,]]>p=Σi=1nhNhi+1;]]>由于对称位置端点的权重设定为相同，因此上述w₁依次绕着环心顺时针或者逆时针转动α度p-1次后，环中所有端点的位置权重都经历了从0到1的递变；另外，适值函数F(x)中的zigzag曲线与Sucessman和Mansour提出的有所不同，Sucessman和Mansour提出的zigzag曲线点的横坐标是多股流板翅式换热器的通道，纵坐标是从换热器一端开始到该通道的累加热负荷，相应线段的长度则是该通道的热负荷，而此处的zigzag曲线是以通道束为单位，相应点的横坐标是染色体环上的冷热通道束，纵坐标是从染色体环的起始端点开始到该通道束的累加热负荷，相应线段的长度则是该通道束的热负荷；

第四步，建立约束条件，1)、染色体x中代表同一种流体的基因位值总和应该等于该流体的通道层数，2)、对于每一个冷热流体通道束，其基因位值和均要≥1且≤冷热流体总通道数之比+1，此处的冷热流体总通道数之比是指大数比小数，即比值总是大于1，该约束可以避免通道热负荷不合理的集聚；

第五步，选取遗传优化过程中的控制参数，种群大小＝20，初始种群的产生函数为Uniform，评估函数为Ranking，选择函数为Stochastic Uniform，复制中精英数Elite count＝2，交叉函数为Scattered，交叉率＝0.8，变异函数为Uniform，变异率＝0.01，子种群间每隔20代发生迁移，迁移方向为Forward，迁移率＝0.2，中止优化过程的条件为进化代数不超过100或染色体x适应值的变化小于设定值10^-6；

第六步，确定上述5个步骤后，借助Matlab提供的遗传优化工具获得最终优化染色体x，然后顺序列出该染色体中所有位值为1的基因所代表的对应流体，便得到相应的通道排列优化结果。