[发明专利]微通道流体分配器数学模型结构的推导和优化方法

摘要

本发明公开了一种微通道流体分配器数学模型结构的推导和优化方法，所述微通道流体分配器数学模型结构的管内径在10‑1000μm，在管径不变的前提下，根据哈根‑泊肃叶定律和质量守恒定律推导出1‑2‑3‑N型微通道流体分配器数学模型结构，利用PSO算法对1‑2‑3‑N型微通道流体分配器数学模型结构进行优化，首先利用PSO算法优化1‑2‑3型微通道流体分配器数学模型结构，在1‑2‑3型微通道流体分配器数学模型结构优化基础上，继续利用PSO算法优化1‑2‑3‑4型微通道流体分配器数学模型结构，以此类推，提出微通道流体分配器数学模型结构和建立微通道流体分配器数学模型结构的规律性公式，根据微通道流体分配器数学模型结构和规律性公式建立微通道流体分配器。

主权项

1.微通道流体分配器数学模型结构的推导和优化方法，其特征是，所述微通道流体分配器数学模型结构的管内径在10‑1000μm，在管径不变的前提下，根据哈根‑泊肃叶定律和质量守恒定律推导出1‑2‑3‑N型微通道流体分配器数学模型结构，首先利用PSO算法优化1‑2‑3型微通道流体分配器数学模型结构，其目标为实现根据微通道流体分配器数学模型结构建立的微通道流体分配器的流速一致性,在1‑2‑3型微通道流体分配器数学模型结构优化基础上，继续利用PSO算法优化1‑2‑3‑4型微通道流体分配器数学模型结构，实现根据微通道流体分配器数学模型结构建立的1‑2‑3‑4型微通道流体分配器的流速一致性，以此类推，保证大规模微通道流体分配器的流速一致性，最后提出微通道流体分配器数学模型结构和建立微通道流体分配器数学模型结构的规律性公式，根据微通道流体分配器数学模型结构和规律性公式建立微通道流体分配器，微通道流体分配器数学模型结构主要由横向、纵向支管组成，横向与纵向支管的长度分别由l_c(m,n)、l_s(m,n)表示，管路半径由R表示，ΔQ表示各个管路中的流量，建立微通道流体分配器的数学模型结构时需再假设：a)在层流流动中，流体入水口损失、出水口损失、局部损失影响较小，可忽略不计；b)忽略重力因素；c)流体为牛顿流体，并处于连续且稳定的状态；d)在相同条件下，其入口流量值保持恒定；e)出口压力为大气压；在此基础上，采用哈根‑泊肃叶定律和质量守恒定律建立微通道流体分配器数学模型结构，如公式(2‑8)～(2‑11)所示：三通分流处：ΔQ_c(i,j)＝ΔQ_s(i,2j‑1)+ΔQ_s(i,2j)  i＝1,2,···N‑1；j＝1,2,···i；    (2‑8)90°弯头处：ΔQ_s(i,1)＝ΔQ_c(i+1,1)           i＝1,2,···N‑1；                   (2‑9)ΔQ_s(i,2i‑2)＝ΔQ_c(i+1,i+1)        i＝1,2,···N‑1；                   (2‑10)三通合流处：Q_s(i,2i)+Q_s(i,2j+1)＝Q_c(i+1,j+1)     i＝1,2,···N‑1；j＝1,2,···i‑1；  (2‑11)并结合公式(2‑1)，建立微通道流体分配器数学模型结构的压力平衡方程式，如公式(2‑12)和(2‑13)所示：采用水介质作为管道流体，其中水的动力粘滞系数可用公式(2‑14)计算：其中t为水的温度，η为水的粘滞系数；利用规范化流量的标准误差计算法判定微通道流体分配器数学模型结构中微通道出口流速值的一致性，如公式(2‑15)所示，由σU％表示，其中出口流速平均值U_m如公式(2‑16)所示：根据公式(2‑8)到公式(2‑13)推导出1‑2‑3‑N型微通道流体分配器数学模型结构，N＝4、8，在内径2mm的管道、入水口流量为0.1kg/s、水温为10℃环境下计算，并结合流动状态与流速v，管径d、动力粘滞系数μ和密度ρ的关系公式(2‑17)测试以水为流体的临界状态，经过计算知Re＝152.67，水的运动状态为层流，并分别计算各个流量分配器出口的流速值；Re＝vdρ/η                    (2‑17)根据数据所示，未优化前的微通道流体分配器的流速一致性并不满足实际的需求，而流速的一致性其主要依赖和根据微通道流体分配器的数学模型结构和尺寸设计，基于上述原因，采用粒子群优化算法对微通道流体分配器数学模型结构进行优化设计；PSO描述了一群以一定速度搜索空间中飞行的微粒之间的互动行为，每个微粒的飞行速度和位移可根据自身和群体的飞行经验进行调整以获取最优解，每个粒子在迭代过程中根据自身的最优值和群体的最优值来不断地修正自己的前进方向和速度大小，如公式(2‑18)和(2‑19)所示：v_i(t+1)＝w·v_i(t)+c₁·rand₁(t)·(pbest_i(t)‑x_i(t))+c₂·rand₂(t)·(gbest(t)‑x_i(t))      (2‑18)x_i(t+1)＝x_i(t)+v_i(t+1)                               (2‑19)流体的特性已选取，即在特定温度下，其各个参数为定值，同时选取管路半径R＝2mm、其管路横截面积A也将成为定值，在此基础上，将纵向管路长度l_c(i,j)设定为lmm，横向管路长度l_s(i,j)等于n(i,j)*l，其中i代表层数，j代表横向管路从左到右管路的标号，基于上述的参数的给定，其ΔQ与压强差Δp之间关系依赖于比例系数n(i,j)，其中目标函数为公式(2‑28)：其约束条件为：在(i)^th中，n(i,j)的个数为2*i，其中i＝1,2,...N‑1，在优化过程最优值F＝0，流体分配器的各个出口的流速均相等，其值为Q/N，即Q_outlet1＝Q_outlet2＝Q_outlet3＝…＝Q_outletN；在此基础上，分别选取l＝2,3,4，并利用上述方法以及微通道流体分配器的的数学模型结构在MATLAB中分别计算各个层中的n(i,j)，其计算如表2‑2所示，同时得到公式(2‑30)：表2‑2计算结果当N为奇数时，(N)^th的n(i,j)可由如下公式求得：当N为偶数时，(N)^th的n(i,j)可由如下公式求得：在知道层数N的情况下，可根据公式(2‑31)到(2‑32)设计微通道流体分配器；前述PSO算法对微通道流体分配器数学模型结构具体优化方法如下：首先设定微通道流体分配器数学模型结构各个管路长度的初始值，并利用公式(2‑28)，判断F是否等于0，若不等于0，并寻找一组F最接近0的粒子，利用公式(2‑18)和(2‑19)，更新管路的长度，继续判断F是否等于0，并再次寻找一组F最接近0的粒子，然后寻找粒子的局部最优解，若不等于0，继续利用公式(2‑18)和(2‑19)，更新管路的长度，直到F小于10^‑6次方为止。