[发明专利]用于相变储热器性能强化的纵向翅片结构快速优化方法

说明书

本发明公开了一种用于相变储热器性能强化的纵向翅片结构快速优化方法，可对用量给定的高导翅片结构进行优化设计。本发明提出以相变材料到翅片和冷(热)源的距离最短作为传热最佳的判定依据；为了适用不同的储热器和翅片结构，提出对计算域和冷(热)源边界进行离散化处理；为了计算不同结构的翅片面积以确定翅片未知结构参数，提出通过蒙特卡洛方法对多参数的任意结构翅片进行面积计算。引入智能优化算法(例如，遗传算法)，解决了包含多参数变量的翅片优化问题。该优化方法，规避了传统相变储热优化问题的非线性、长耗时缺点。具有耗时少、通用性高的特点，易于推广到不同类型的翅片结构形式，并可将其用于无相变传热过程的纵向翅片结构优化。

技术领域

本发明属于固-液相变储热器性能强化技术领域，具体涉及一种用于相变储热器性能强化的纵向翅片结构快速优化方法。

背景技术

随着工业的不断发展，人类生活的不断进步，目前传统能源由于人类的粗放开采，供给形式越发严峻。同时由于传统能源的大量使用也加剧了环境污染问题。面对能源供给和环境污染问题，提高能源的有效利用率以及开发新型清洁能源成为了解决问题的有效手段。而在提高能源利用率和开发新型清洁能源中，储能技术必不可少。国内外学者发现蓄热技术作为一种高效、稳定的能量储存技术对提高热能利用率、能源供给、能源可持续发展和环境改善起着举足轻重的作用。

目前的蓄热技术主要分为三种：(1)化学储热技术；(2)显热储热技术；(3)潜热储热技术。其中，潜热储能不仅设备相对简单易于管理、储能密度大，而且在储能和释能过程中近似等温，易于与运行系统相匹配。由于拥有这些优点，潜热储能在能量储存领域有着十分广阔的应用前景。但是，由于潜热储能设备中所使用的大部分相变材料导热率较低，潜热储能设备在工作过程中存在储能和释能过程缓慢的问题。因此，需要一些强化措施来改善潜热储能设备的出放热性能。当前，国内外学者将强化传热方式主要划分为四大类：改变相变材料的导热系数如加入泡沫金属或纳米材料、相变材料进行微封装、采用组合式相变材料以及添加不同形状的翅片。与其他强化方法相比，纵向翅片具有制造简单、成本低、使用寿命长的优点。这些优点使得添加纵向翅片成为改善凝固和熔化性能的最佳解决方案之一。

翅片的加入虽然提高了储热器的储(放)热速率，但同时也降低了储热器的储热量。因此需要对翅片的结构进行优化，以实现在最小翅片用量下满足储热器所需的储(放)热速率。现有的纵向翅片结构优化方法大多采用单因素分析法，但翅片优化是一个多参数优化问题，因此传统优化方法无法对翅片的结构进行有效优化，优化效果不佳。并且传统的对于纵向翅片结构的优化多基于数值模拟方法，需要对相变储热器的相变过程进行完整的模拟，耗时较长。这种效果不佳、耗时长的优化过程严重制约了翅片强化技术在相变储热器内的应用。

发明内容

技术问题：本发明提供一种用于相变储热器性能强化的纵向翅片结构快速优化方法，能够解决上述相变储热器内纵向翅片结构优化效果不佳以及长耗时问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于相变储热器性能强化的纵向翅片结构快速优化方法，包括如下步骤：

(a)根据相变储热器的横截面结构及尺寸，构建计算域，并对计算域以及冷/热源边界进行离散化处理，将冷/热源边界离散为点；生成空白的第一数据库和第二数据库；

(b)选取合适坐标系，将计算域内的网格点中心坐标和离散后的冷/热源边界点坐标输出，存储在第一数据库中；

(c)根据给定的翅片用量和基本形状，设置智能优化算法的相应参数，包括种群数、设计变量、变量变化范围；其中设计变量为n-1个翅片参数，剩余1个翅片结构参数由给定的翅片无量纲面积S₀计算得出，S₀＝翅片横截面面积/储热器横截面面积；