混凝土边界传热的数值反演研究.pdf
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1、2 0 1 3 年 第 1期 (总 第 2 7 9 期 ) N u mb e r 1 i n 2 0 1 3 ( T o t a l N o 2 7 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoI ETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 1 0 1 2 混凝土边界传热的数值反演研究 汪伦焰 ,郭磊 ,陈守开 ( 华北水利水 电学院,河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘要 : 混凝土边界传热过程的确定是混凝土温度场分析的关键 , 是研究混凝土结构温控防裂问题
2、的重要方面之一。 以标准遗 传算法为基础, 对该算法的缺陷提出相应的改进方法 , 并编制程序 。 在工程条件下 , 进行非绝热状态下的温度试验 , 获得实测温度 数据。 然后 , 利用改进遗传算法 , 对实测数据进行温度场 的反演计算 , 并将计算值与实测值进行 比较 , 分析反演结果的合理性 , 从 而获得与工程条件相符的不同物盖条件下的混凝土边界热交换系数 , 以供类似工程参考。 关键词 : 热交换系数 ;混凝土;温度试验 ;遗传算法 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 3 9 0
3、 5 Nu m e r i c a l i n v e r s i o n o f t h e h e a t t r a n s f e r p r o c e s s i n b ou n d a r y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e WANG Lu n- y , GUOLe i , CHE N S ho u - k a i ( No r t h C h i n a U n i v e r s i t yo f Wa t e r R e s o u r c e s a n dE l e c t ri c P o w e r , Z h e n
4、g z h o u4 5 0 0 4 5 , C h i n a ) Abs t r act : As the i mp o r t a n t a s pe c t o f c o nc r e t e s t r u c t u r e S t e mp e r a t u r e c o n t r o l f o r an t i c r a c ki n g, de t e r mi n a t i o n o f t h e he a t t r a ns f e r p r o - c e s s i n bo u nd a r y o fc o n c r e t e s t
5、r u c t u r e i s e s s e n t i a l f o r c a l c ul a t i on an d a na l y s i s Ba s e d o n s t a nd a r d g e n e t i c a l g o r i t h m , i mp r o v i n g me t h o d for d e f e c t s of thi s a l g o rit h m wa s p r o p os e d an d a FORTRAN p r o g r a m wa s c o d e d W i m d a t a c o l l
6、 e c t e d f r o m c o n c r e t e n o n a d i a b a t i c t e mpe r a t u r e t e s t o f a c t u a l p r o j e c t , t e mp e r a t u r e fi l e d w a s i n v e r s e d T h e a c c ura c y and r a t i o n a l i t y o f t h e me tho d and p r o g r a m w e r e v e ri fi e d b y c o mp a r i n g n u
7、me ric a l r e s ul t s wi m t h e t e s t r e s u l t s As r e s u l t s o f i n v e r s i o n he a t tran s f e r c oe f fic i e n t s o f di ffe r e n t s l i pc o v e r o n c o n c r e t e S s u r f a c e wh i c h mo r e c o n s i s t e n t wi t h t h e a c tua l s i tua t i o n we r e 0 b mi n
8、e d Ke y w or ds : h e a t tr an s f e r c o e ffi c i e n t s ; c o n c r e t e ; t e mp e r a t u r e t e s t ; g e n e t i c a l g o ri t h m 0 引 言 混凝土温度场的确定受诸多因素影 响 , 其 中之一就是 边界传热过程的给定。 混凝土与流体接触的边界传热过程 可定性 的分 为三类 , 一是给定 混凝土边界 的温度 , 且 为时 间 的函数 , 可表示为 ( ) , 二是给定混凝 土边界 的热 流 密度 , 可表示为 q = 一 k O T O
9、= A( r ) ; 三是实 际热交换过程 中 , 混凝土边界的热流量与边界温度相关 , 即与接触面温度差 值成正比, 即 口 = 一 k O T c3 n = h ( T 一 ) 1 。 在这三类边界条件 中, 第三类边界条件 的确定最 为困难 , 由第三类边界条件 的定义可以看出, 当混凝土表面热交换系数 一+ 时, 混凝 土表面边界 为第 一类边界 ; 而 当 一0 时 , O T O n = O , 此时 , 混凝土表面为绝热边界 。 由此可知 , 混凝土边界传热过程 的 确定关键在于如何获得混凝土的边界热交换 系数2 。 目前 , 确定边界热 交换 系数的方法很多 , 主要有 数值
10、反演方法, 室内试验方法和数值分析方法。 其中室内试验的 方法是指在可控条件下对物体表面的传热进行控制, 然后 根据大量的实测数据, 建立能够表征物体传热过程的函数 关系式, 如建立无量纲参数的函数关系式嘲 ; 理论数值分析 收稿 日期 :2 0 1 2 - 0 7 1 1 基金项目:国家 自然科学基金( 5 1 1 0 9 0 8 1 ) 即根据物体表面的几何形状和位置求解边界层方程 , 从 而 获得边界层 的温度分布 , 进而求解边界 的( 平均 ) 热交换 系 数 。 很显然 , 由于影响表 面热交换系数 的因素众多 3 , 室 内试验方法获得的往往是单一条件下 的表面热交换系数 , 与
11、工程实 际相差较大 , 而数值分析方法则很难求得复杂情 况下的解 , 工程应用 意义不大。 目前 , 获得混凝土结构边界 热交换系数最为有效地方法是采用现场试验和数值反演 相结合 的方式 , 获得与相应工程条件相符的表面热交换 系 数。 本研究数值反演算法采用遗传算法, 根据标准遗传算 法的缺 陷进行相应的改进 , 并在工程现场进行非绝热条件 下的混凝土温度试验 , 然后根据实测数据 , 采用改进 的遗 传算法进行反演分析, 获得与工程条件相符的混凝土边界 热交换系数。 1 改进遗传算 法 遗传算法为我们解决最优化问题提供了一个有效的 途径和通用框架, 开创了一种新的全局优化搜索算法同 。 该
12、 算法从可行解集组成的初始种群出发, 同时使用多个可行 解进行选择、 交叉和变异等随机操作, 使得遗传算法在隐 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 含并行多点搜索 中具备很强 的全局搜索能力。 也正因为如 此 , 基本遗传算法的局部搜索能力较差, 对搜索空间变化 适应能力差, 并且易出现早熟现象。 为了克服上述缺陷, 控 制进化代数, 降低计算工作量, 需要对遗传算法加以改进。 本研究改进遗传算法的核心有 3 点, 分别为: 一 是在标准遗传算法的基础上, 利用最近两代进化操 作产生的优秀个体的最大变化 区间重新确定基 因的限制 条件, 然后重新生成初始种群
13、 , 进行遗传运算。 如此循环, 可以进一步充分利用进化迭代产生的优秀个体, 可快速压缩 初始种群基因控制区间的大小, 提高遗传算法的运算效率。 二是按适应度对染色体进行分类操作, 分别按比例 孙托将染色体分为最优染色体、 普通染色体和最劣染色体 , X l 3 = 1 , 一般 l 5 , 2 8 5 , X 3 1 0 , 取值和进化代 数 f 有关 , 最优染 色体直接复制 , 普通染色体参与交叉运 算 , 最劣染色体参与变异运算 , 从而产生拟子代种群 , 这主 要解决存优问题及提高算法的局部搜索能力。 三是引入小生境淘汰操作, 先将分类操作前记忆的前 N R个体和拟子代种群合并, 再
14、对新种群两两比较海明距离, 令 N T = N R + n 定义海 明距离 。 一 s = ll V i- ll ; 1 ( ” ) T =1 ( i =1 , 2 , 一, 1 = + 1 , , ) ( 1 ) 设定 s为控制阈值, 若 s o S , 比较 , 个体间适应 度大小 , 对适应度较小 的个体处以较大的罚 函数 , 极 大地 降低其适应度, 这样受到惩罚的个体在后面的进化过程中 被淘 汰的概率极大 , 从而保持种群的多样性 , 消除早熟收 敛现象。 另外 , 本研究还对通常的种群收敛判别条件提出改进 , 设第 z 和 + 1 代运算并经过优劣降序排列后前 N S 个 ( 一般
15、 取 N S = ( 5 1 0 ) n ) 个体 目标函数值分别为 , , 和 屹 , , 记 肥 s = = n , ( 2 ) I N S l N S 式 中 = N S f lz+ l- ( N S 州 ) l ) 铲 J ; J =1 l J 1 n 同一代种群早熟收敛指标控制系数 ; n - 一 不同进化代种群进化收敛控制系数 。 基于上述思想 , 编制 了相应的反演计算程序 。 事实上 , 该改进方法不仅适用于对混凝 土表 面热交换 系数 的反演 计算 , 也可用于反演混凝土的其他热 学参数 , 如绝热 温升 及其规律参数等, 不过需要对算法进行修正。 2混凝 土温度试验 2 1
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