基于Taguchi法的纵向涡发生器的结构优化.pdf
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1、2023 年第 52 卷第 8 期石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1116基于 Taguchi 法的纵向涡发生器的结构优化牛 壮,郝 敏,王玉鑫,张佳亮(沈阳化工大学 机械与动力工程学院,辽宁 沈阳 110142)摘要采用 Taguchi 法与数值模拟计算相结合的方式,考察入口距离(A 因素)、横向距离(B 因素)、迎流攻角(C 因素)、斜截角度(D 因素)、纵向高度(E 因素)5 种结构参数对换热因子、流动阻力系数和综合热性能评价指标影响的主次顺序与各自贡献率,以此来定量分析并权衡强化换热能力提高的同时所带来的流动阻力提高的问题。模拟结果显示,在实验范围内,最优换热能
2、力组合为 A3B3C5D1E4,最优阻力损失组合为 A5B4C3D3E1,最优综合热性能组合为 A3B4C3D2E3,权衡换热与流动阻力之间的平衡关系尤为重要。关键词数值模拟;强化换热;流动阻力;综合热性能文章编号1000-8144(2023)08-1116-08 中图分类号 TQ 018 文献标志码 AStructure optimization of longitudinal vortex generator based on Taguchi methodNIU Zhuang,HAO Min,WANG Yuxin,ZHANG Jialiang(School of Mechanical an
3、d Power Engineering,Shenyang University of Chemical Technology,Shenyang 110142,China)AbstractThe Taguchi method and numerical simulation were combined to investigate the five structural parameters of entrance distance(A factor),horizontal spacing(B factor),angle of attack(C factor),oblique angle(D f
4、actor)and longitudinal height(E factor).The primary and secondary order and respective contribution rate of their effects on heat transfer factor,flow resistance coefficient and comprehensive thermal performance evaluation index were respectively investigated to quantitatively analyze and balance th
5、e issue of increasing flow resistance caused by the improvement of heat transfer enhancement.The simulation results show that within the experimental range,the optimal heat transfer capacity combination is A3B3C5D1E4,the optimal resistance loss combination is A5B4C3D3E1,and the optimal comprehensive
6、 thermal performance combination is A3B4C3D2E3.It is particularly important to keep the balance between heat transfer and flow resistance.Keywordsnumerical simulation;heat transfer enhancement;flow resistance;comprehensive thermal performance DOI:10.3969/j.issn.1000-8144.2023.08.013收稿日期2023-03-03;修改
7、稿日期2023-05-18。作者简介牛壮(1999),男,河北省唐山市人,硕士生,电话 15100509986,电邮 。联系人:郝敏,电话 13898127191,电邮 。基金项目辽宁省自然科学基金项目(2019MS259)。涡流发生器被广泛应用于航空、航天及强化换热等领域,是一种体积小、耗材少的高效率元件,将其布置于换热器肋片上能有效提高换热器的整体换热性能1-18。Gholami 等19发现矩形翼涡流发生器具有较高的换热性能。Pankaj 等20利用数值模拟计算发现矩形翼涡流发生器的换热效果要优于三角形翼涡流发生器。Filgueira 等21通过分析涡流发生器的高度对诱导涡的轨迹与尺寸的影
8、响,发现高度是影响尾部诱导涡轨迹与峰值的重要因素。Anupam 等22设计了半通道高度的矩形翼涡流发生器来研究传热特性,实验结果表明,流体流过涡流发生器后由于流动加速而导致传热性能明显提升。本工作采用 Taguchi 法与数值模拟计算相结合第 8 期1117的方式,考察入口距离(S)、横向距离(s)、迎流攻角()、斜截角度()、纵向高度(h)5种结构参数对换热因子(j)、流动阻力系数(f)和综合热性能评价指标(PEC)影响的主次顺序与贡献率,以此来定量分析并权衡强化换热能力提高的同时流动阻力提高的问题。1 模型的建立与数值模拟检验1.1 物理模型本工作选用矩形通道换热区域,长度860 mm,宽
9、度 240 mm,高度 40 mm。矩形通道内置涡流发生器为单排一对。为使入口流速均匀且出口无回流,计算区域在入口处向上游延长 400 mm(y=-400 0 mm),出口处向下游延长 340 mm(y=1 260 1 600 mm),计算量并无明显增加。1.2 数值方法在 Re=7 000 26 800(1.491 5.708 m/s)范围内,采用 RNG k-湍流流动模型。边界条件为速度入口、自由出流,矩形通道除换热面外均为速度无滑移的绝热壁面。压力与速度之间的耦合采用 SIMPLE 算法。压力采用标准离散,连续方程、动量方程和能量方程均采用二阶迎风格式进行离散,收敛残差均为 10-6。本
10、工作中的矩形通道底边换热面材质为铜。流动工质为三维常物性不可压缩的空气流体。1.3 评价因子结合换热能力与流动阻力两点进行综合评定,f 表达式见式(1)。f=(2pAC)/(A0u2)(1)式中,p 为矩形通道进出口压力差,Pa;AC与 A0分别为来流方向的通道截面面积与有效换热面积,m2;为流体密度,kg/m3;u 为流体平均流速,m/s。为了更加形象地表达强化换热,采用 j 来表达换热能力,见式(2)。j=Nu/(RePr1/3)(2)换热能力的增加往往伴随着摩擦阻力的提升,二者之间的权衡显得尤为重要,因此采用无量纲的PEC 作为整体换热性能的评判标准,具体表达式见式(3)。PEC=j/f
11、 1/3(3)1.4 网格无关性验证使用 ICEM CFD 软件进行网格划分,对于光滑矩形通道全局采用六面体结构化网格,对布置有涡流发生器的矩形通道采用混合网格的方法即非结构化网格划分。对布置有涡流发生器区域(y=50 180 mm)进行局部加密,其他未布置涡流发生器区域使用六面体网格进行划分。为确保计算结果的准确性,使用 6 组网格以出口温度为指标对网格无关性进行验证。实验结果表明,空矩形通道约 5.8106个体积网格可满足计算精度要求;内置涡流发生器矩形通道约 20.1106个体积网格可满足计算精度要求。1.5 模型可行性验证将本工作的数值模拟结果与叶秋玲等23的实验数据及其计算关联式进行
12、对比可知,在 Re=7 000 26 800 范围内,Nu 计算关联式选取 Dittus-Boelter公式;f 计算关联式选取 Blasius 公式;本工作 Nu数值模拟结果与实验数据最大误差为 14.21%,f 的最大误差为 9.74%;而在与经验公式计算结果进行对比时,Nu 最大误差为 16.74%,f 最大误差仅为8.90%。可见,本工作数值模拟中所建立的数学模型和仿真方法是可行的。2 结果与讨论2.1 Taguchi 法实验设计本工作采用 Taguchi 法选取斜截半椭圆柱面涡流发生器的 5 个控制因素分别为 A(S),B(s),C(),D(),E(h),将各参数无量纲化处理(S/S
13、0,s/s0,/0,/0,h/h0),各因素范围为:S 选取0 800 mm 范围内的 5 个水平;s 选取 0 160 mm 范围内的 5 个水平;选取 0 90 范围内的 5个水平;选取 0 26 范围内的 5 个水平;h 选取0 40 mm 范围内的 5 个水平。表 1 为控制因素及水平参数。表 2 为 L25(55)正交实验数据。2.2 Taguchi 法实验结果分析图 1 为以 j 为指标时各因素对 j 的贡献率及水平变化。由图 1 可知,以 j 为指标时各因素贡献率由大到小顺序为:ECADB,占比分别为31.566 1%,22.397 8%,17.161 1%,16.384 3%,
14、12.490 6%,即因素 E 与 C 对矩形通道内换热能力影响最大,二者总和超过 50%。当 j1 时,信噪比(SNR)越大效果越好。本工作研究对象的 jCABD,占比分别为 34.693 7%,20.037 8%,17.256 2%,16.057 9%,11.954 5%,即因素 E 和因素 C 对流动阻力的影响最大。原因为涡流发生器的 h/h0与/0会直接影响来流迎流面积,h/h0与/0的增加导致迎流面积增加,相应的流动阻力也会提高。在实际生产中流动阻力越大伴随着摩擦等损失越多,因此较小的流动阻力是最终目的。本工作中 f 均小于 1,以 f 为指标时的 SNR(SNR-f)越大阻力损失越
15、小,所以最大SNR-f 组合是最小流动阻力损失结构参数组合。由图3可知,因素A在水平5(S/S0=5/8)时达到最大;因素 B 在水平 4(s/s0=3/16)时达到最大;因素 C在水平 3(/0=45/90)时达到最大;因素 D 在水平 3(/0=12/26)时达到最大;因素 E 在水平 1(h/h0=2/8)时达到最大。观察各因素对 SNR-f 在25 组不同水平变化情况,预测最优阻力损失组合为 A5B4C3D3E1。综上所述,SNR-j 与 SNR-f 的最优组合并不相同,且近乎呈现出一种相反的优化方向。这恰恰进一步说明了强化换热与降低流动阻力的矛盾性,即不能在优化换热的同时大大降低流动
16、阻力,这又可理解为降低流动阻力的同时往往伴随的是选取预测的最优换热能力组合 A3B3C5D1E4与第 8 期1119换热效果的下降。因此,本工作采用 PEC 来权衡二者并评价矩形通道内整体热工性能。图 4 为各因素对 PEC 的贡献率及水平变化。由图 4 可知,以 PEC 为指标时的 SNR(SNR-PEC)的贡献率由大到小排序为:BCDEA,分别为31.775 6%,27.221 8%,17.222 5%,14.034 3%,9.745 8%,其中因素 E 与 C 总和超过 50%。本工作 PEC 均小于 1,因此 SNR-PEC 越小综合热性能越高。由图4 可知,最优综合热性能组合为 A3
17、B4C3D2E3,即在本工作范围内的最优斜截式半椭圆柱面涡流发生器结构参数为 S/S0=3/8,s/s0=3/16,/0=45/90,/0=6/26,h/h0=6/8。图 1 各因素对 j 的贡献率及水平变化Fig.1 Contribution rate and level change of various factors to j.SNR:signal-to-noise ratio;j:heat transfer factor.Contribution rate/?A50101520253035BCDESNR-jA1A2A3A4A5B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5D1D2D3D4D
18、5E1 E2 E3 E447.247.047.447.648.0ABCDE48.448.847.848.248.649.0E5图 2 z-x 剖面温度云图Fig.2 Temperature nephogram of z-x section.y=0.4,0.6,0.8,1.0 m.yzxA3B3C5D1E4A2B1C1D3E1286.78290.97295.16299.35303.53307.72311.91316.10320.29324.48328.67332.86337.05Temperature/?图 3 各因素对 f 的贡献率及水平变化Fig.3 Contribution rate an
19、d level change of various factors to f.f:flow resistance coefficient.Contribution rate/?A5010152025304035BCDESNR-fA1A2A3A4A5B1B2B3B4B5C1C2C3C4C5D1D2D3D4D5E1 E2 E3 E427.527.028.028.529.530.529.030.031.0E5ABCDE同样的,选取较差水平组合 A4B1C1D3E5与最优综合热性能组合 A3B4C3D2E3相比较。图 5 为 x-y截面 z=0.005 m 处、x-z 截面 y=0.4,0.6,0.8
20、,1.0 m处温度和速度云图。牛 壮等.基于 Taguchi 法的纵向涡发生器的结构优化2023 年第 52 卷石油化工PETROCHEMICAL TECHNOLOGY1120由图 5 可知,最优综合热性能组合 A3B4C3D2E3各不同 y 值处截面温度明显优于较差组合。虽然流速低于较差水平组合,但在流经涡流发生器后产生了涡流,而流经涡流发生器前缘时端部产生的涡流绕动区会不断向下游延伸,冲刷周围壁面边界层进而换热效果得到提高。在确定最优换热能力组合、最优阻力损失组合和最优综合热性能组合后,对 Taguchi 法的可靠性进行验证(图 6)。本工作采用 Taguchi 法计算全部为 Re=13
21、000 时的情况。选取 25 组不同水平变化情况中 SNR-PEC 排在前两位的组合 Csae13和 Case24,随机两个非 25 组水平的组合(Csae1,Case2)与光滑矩形通道进行 PEC 比较,数值计算结果均处于 Re=7 000 26 800 范围,说明光滑矩形通道综合热性能最低,而本工作中的基于Taguchi 法预测的最优综合热性能组合的综合热性能最高,说明方法是可靠的。2.3 三种最优组合下换热与流动阻力之间的关系图 7 为三种最优组合下 j,f,PEC 随流动方向的变化。由图 7a1 a3 可知,在涡流发生器周围区域(y=0.2 0.4 m)j 突然上升,相较于空矩形通道提
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