化工进展 ›› 2021, Vol. 40 ›› Issue (12): 6409-6422.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2021-1379
刘少斌1,2(), 齐宏1,2(), 余智强1,2, 何明键1,2, 于喜奎3
收稿日期:
2021-06-30
修回日期:
2021-09-05
出版日期:
2021-12-05
发布日期:
2021-12-21
通讯作者:
齐宏
作者简介:
刘少斌(1995—),男,硕士,研究方向为微小结构的流动换热性能优化。E-mail:基金资助:
LIU Shaobin1,2(), QI Hong1,2(), YU Zhiqiang1,2, HE Mingjian1,2, YU Xikui3
Received:
2021-06-30
Revised:
2021-09-05
Online:
2021-12-05
Published:
2021-12-21
Contact:
QI Hong
摘要:
以高效、紧凑、轻质的航空燃油换热器为研究背景,对影响微小通道换热和压力性能的多种工况条件和结构参数进行探究和优化。应用Taguchi方法的正交实验设计和损失函数分析,得到不同因子对性能指标的贡献度和影响规律,并通过可加性检验证明结论具有统计显著性。结果显示,入口流速和通道流型对微小通道传热和压力性能的贡献度最大,通道流型选择圆柱旋涡发生器通道能获得最佳综合性能。此外发现,换热过程中工质的物性变化会影响普朗特数计算,导致多种传热压力性能和综合性能的评价指标有不同影响规律和不同优化参数组合,因此研究时需要根据实际问题选择恰当的评价指标。
中图分类号:
刘少斌, 齐宏, 余智强, 何明键, 于喜奎. 基于Taguchi方法的微小通道性能分析与参数优化[J]. 化工进展, 2021, 40(12): 6409-6422.
LIU Shaobin, QI Hong, YU Zhiqiang, HE Mingjian, YU Xikui. Performance analysis and parameter optimization of mini-channel using Taguchi method[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2021, 40(12): 6409-6422.
内边长d1/mm | 外边长D1/mm | 波纹角θ1/(°) | 节距臂长L4/mm |
---|---|---|---|
2.5 | 3 | 120 | 10 |
表1 波纹通道几何尺寸
内边长d1/mm | 外边长D1/mm | 波纹角θ1/(°) | 节距臂长L4/mm |
---|---|---|---|
2.5 | 3 | 120 | 10 |
外边长D2/mm | 入口平台S1/mm | 翅片间距S2/mm | 翅片倾角θ2/(°) | 中间平台S3/mm | 翅片长度S4/mm | 翅片厚度δ2/mm |
---|---|---|---|---|---|---|
6 | 2.7 | 4 | 30 | 3 | 4 | 0.5 |
表2 百叶窗通道几何尺寸
外边长D2/mm | 入口平台S1/mm | 翅片间距S2/mm | 翅片倾角θ2/(°) | 中间平台S3/mm | 翅片长度S4/mm | 翅片厚度δ2/mm |
---|---|---|---|---|---|---|
6 | 2.7 | 4 | 30 | 3 | 4 | 0.5 |
外边长D3/mm | 突起间距L5/mm | 突起宽度δ3/mm | 圆球半径d2/mm |
---|---|---|---|
9 | 4 | 1 | 1 |
表3 圆柱阵列通道几何尺寸
外边长D3/mm | 突起间距L5/mm | 突起宽度δ3/mm | 圆球半径d2/mm |
---|---|---|---|
9 | 4 | 1 | 1 |
水平 | 工质入口温度 /K | 工质流动状态 /m·s-1 | 壁面加热温度 /K | 通道流型 |
---|---|---|---|---|
水平1 | 293.15 | 0.30 | 373.15 | 直通道 |
水平2 | 308.15 | 0.59 | 398.15 | 波纹通道 |
水平3 | 323.15 | 0.89 | 423.15 | 正弦通道 |
水平4 | 338.15 | 1.19 | 448.15 | 百叶窗通道 |
水平5 | 353.15 | 1.49 | 473.15 | 圆柱阵列通道 |
表4 探究因子和探究水平
水平 | 工质入口温度 /K | 工质流动状态 /m·s-1 | 壁面加热温度 /K | 通道流型 |
---|---|---|---|---|
水平1 | 293.15 | 0.30 | 373.15 | 直通道 |
水平2 | 308.15 | 0.59 | 398.15 | 波纹通道 |
水平3 | 323.15 | 0.89 | 423.15 | 正弦通道 |
水平4 | 338.15 | 1.19 | 448.15 | 百叶窗通道 |
水平5 | 353.15 | 1.49 | 473.15 | 圆柱阵列通道 |
材料 | 密度ρ /kg·m-3 | 比定压热容cp /J·kg-1·K-1 | 热导率λ /W·m-1·K-1 |
---|---|---|---|
铝 | 2719 | 871 | 202.4 |
表5 金属铝的物性模型
材料 | 密度ρ /kg·m-3 | 比定压热容cp /J·kg-1·K-1 | 热导率λ /W·m-1·K-1 |
---|---|---|---|
铝 | 2719 | 871 | 202.4 |
热物性 | 拟合函数(5MPa) | 确定系数R2 |
---|---|---|
热导率λ/W·m-1·K-1 | p1=1.73×10-7,p2=-3373×10-4,p3=0.21 | 0.9996 |
密度ρ/kg·m-3 | a1=782.4,b1=287.6,c1=298.2,a2=224,b2=585.1,c2=126.9,a3=119.7,b3=671.9,c3=48.89 | 0.9985 |
比定压热容cp/kJ·kg-1·K-1 | p1=5.01×10-6,p2=1.57×10-3,p3=1.13 | 0.9958 |
黏度μ/μPa·s | a=2.05×107,b=-3.63×10-2,c=6686,d=-7.51×10-3 | 0.9998 |
表6 RP-3实验数据拟合物性模型
热物性 | 拟合函数(5MPa) | 确定系数R2 |
---|---|---|
热导率λ/W·m-1·K-1 | p1=1.73×10-7,p2=-3373×10-4,p3=0.21 | 0.9996 |
密度ρ/kg·m-3 | a1=782.4,b1=287.6,c1=298.2,a2=224,b2=585.1,c2=126.9,a3=119.7,b3=671.9,c3=48.89 | 0.9985 |
比定压热容cp/kJ·kg-1·K-1 | p1=5.01×10-6,p2=1.57×10-3,p3=1.13 | 0.9958 |
黏度μ/μPa·s | a=2.05×107,b=-3.63×10-2,c=6686,d=-7.51×10-3 | 0.9998 |
项目 | 水平 | 入口温度A | 入口流速B | 壁面温度C | 通道流型D |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 36.71 | 32.13 | 36.33 | 31.90 |
2 | 36.83 | 35.37 | 37.28 | 37.24 | |
3 | 36.69 | 37.55 | 37.17 | 34.71 | |
4 | 37.22 | 39.26 | 36.97 | 39.72 | |
5 | 37.42 | 40.57 | 37.12 | 41.31 | |
R极差 | 0.74 | 8.44 | 0.96 | 9.41 | |
贡献度 | 3.78% | 43.17% | 4.92% | 48.13% | |
排序 | 4 | 2 | 3 | 1 |
表7 Nu望大损失函数处理结果
项目 | 水平 | 入口温度A | 入口流速B | 壁面温度C | 通道流型D |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 36.71 | 32.13 | 36.33 | 31.90 |
2 | 36.83 | 35.37 | 37.28 | 37.24 | |
3 | 36.69 | 37.55 | 37.17 | 34.71 | |
4 | 37.22 | 39.26 | 36.97 | 39.72 | |
5 | 37.42 | 40.57 | 37.12 | 41.31 | |
R极差 | 0.74 | 8.44 | 0.96 | 9.41 | |
贡献度 | 3.78% | 43.17% | 4.92% | 48.13% | |
排序 | 4 | 2 | 3 | 1 |
项目 | 水平 | 入口温度A | 入口流速B | 壁面温度C | 通道流型D |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 88.38 | 81.28 | 80.16 | 84.05 |
2 | 88.83 | 83.72 | 85.27 | 88.34 | |
3 | 86.48 | 86.67 | 87.23 | 87.48 | |
4 | 84.82 | 89.07 | 88.96 | 85.96 | |
5 | 82.43 | 90.19 | 89.32 | 85.11 | |
R极差 | 6.40 | 8.90 | 9.16 | 4.29 | |
贡献度 | 22.26% | 30.95% | 31.86% | 14.93% | |
排序 | 3 | 2 | 1 | 4 |
表8 Qtotal望大损失函数处理结果
项目 | 水平 | 入口温度A | 入口流速B | 壁面温度C | 通道流型D |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 88.38 | 81.28 | 80.16 | 84.05 |
2 | 88.83 | 83.72 | 85.27 | 88.34 | |
3 | 86.48 | 86.67 | 87.23 | 87.48 | |
4 | 84.82 | 89.07 | 88.96 | 85.96 | |
5 | 82.43 | 90.19 | 89.32 | 85.11 | |
R极差 | 6.40 | 8.90 | 9.16 | 4.29 | |
贡献度 | 22.26% | 30.95% | 31.86% | 14.93% | |
排序 | 3 | 2 | 1 | 4 |
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | -38.41 | -36.86 | -39.37 | -43.04 |
2 | -39.26 | -38.82 | -39.31 | -38.57 | |
3 | -40.00 | -40.37 | -39.54 | -40.73 | |
4 | -40.04 | -40.86 | -40.10 | -38.26 | |
5 | -40.67 | -41.47 | -40.06 | -37.78 | |
R极差 | 2.26 | 4.60 | 0.79 | 5.25 | |
贡献度 | 17.52% | 35.67% | 6.12% | 40.69% | |
排序 | 3 | 2 | 4 | 1 |
表9 J因子望大损失函数处理结果
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | -38.41 | -36.86 | -39.37 | -43.04 |
2 | -39.26 | -38.82 | -39.31 | -38.57 | |
3 | -40.00 | -40.37 | -39.54 | -40.73 | |
4 | -40.04 | -40.86 | -40.10 | -38.26 | |
5 | -40.67 | -41.47 | -40.06 | -37.78 | |
R极差 | 2.26 | 4.60 | 0.79 | 5.25 | |
贡献度 | 17.52% | 35.67% | 6.12% | 40.69% | |
排序 | 3 | 2 | 4 | 1 |
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 22.78 | 37.45 | 22.28 | 28.81 |
2 | 22.09 | 27.55 | 22.43 | 14.36 | |
3 | 23.05 | 20.66 | 23.31 | 24.00 | |
4 | 23.53 | 16.10 | 23.26 | 23.90 | |
5 | 23.62 | 13.31 | 23.79 | 24.00 | |
R极差 | 1.53 | 24.14 | 1.51 | 14.46 | |
贡献度 | 3.67% | 57.97% | 3.62% | 32.74% | |
排序 | 3 | 1 | 4 | 2 |
表10 pcost望小损失函数处理结果
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 22.78 | 37.45 | 22.28 | 28.81 |
2 | 22.09 | 27.55 | 22.43 | 14.36 | |
3 | 23.05 | 20.66 | 23.31 | 24.00 | |
4 | 23.53 | 16.10 | 23.26 | 23.90 | |
5 | 23.62 | 13.31 | 23.79 | 24.00 | |
R极差 | 1.53 | 24.14 | 1.51 | 14.46 | |
贡献度 | 3.67% | 57.97% | 3.62% | 32.74% | |
排序 | 3 | 1 | 4 | 2 |
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 19.18 | 16.96 | 18.58 | 26.37 |
2 | 18.33 | 18.49 | 18.60 | 11.73 | |
3 | 19.20 | 19.26 | 19.46 | 20.85 | |
4 | 18.98 | 19.72 | 19.34 | 18.58 | |
5 | 19.53 | 20.80 | 19.24 | 17.69 | |
R极差 | 1.20 | 3.83 | 0.88 | 14.63 | |
贡献度 | 5.84% | 18.65% | 4.28% | 71.23% | |
排序 | 3 | 2 | 4 | 1 |
表11 F望小损失函数处理结果
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 19.18 | 16.96 | 18.58 | 26.37 |
2 | 18.33 | 18.49 | 18.60 | 11.73 | |
3 | 19.20 | 19.26 | 19.46 | 20.85 | |
4 | 18.98 | 19.72 | 19.34 | 18.58 | |
5 | 19.53 | 20.80 | 19.24 | 17.69 | |
R极差 | 1.20 | 3.83 | 0.88 | 14.63 | |
贡献度 | 5.84% | 18.65% | 4.28% | 71.23% | |
排序 | 3 | 2 | 4 | 1 |
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | -32.02 | -31.21 | -33.17 | -34.25 |
2 | -33.15 | -32.66 | -33.11 | -34.66 | |
3 | -33.60 | -33.95 | -33.05 | -33.78 | |
4 | -33.71 | -34.28 | -33.65 | -32.06 | |
5 | -34.15 | -34.54 | -33.65 | -31.89 | |
R极差 | 2.14 | 3.33 | 0.61 | 2.77 | |
贡献度 | 24.20% | 37.62% | 6.89% | 31.29% | |
排序 | 3 | 2 | 4 | 1 |
表12 J·F-1/3望大损失函数处理结果
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | -32.02 | -31.21 | -33.17 | -34.25 |
2 | -33.15 | -32.66 | -33.11 | -34.66 | |
3 | -33.60 | -33.95 | -33.05 | -33.78 | |
4 | -33.71 | -34.28 | -33.65 | -32.06 | |
5 | -34.15 | -34.54 | -33.65 | -31.89 | |
R极差 | 2.14 | 3.33 | 0.61 | 2.77 | |
贡献度 | 24.20% | 37.62% | 6.89% | 31.29% | |
排序 | 3 | 2 | 4 | 1 |
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 43.10 | 37.79 | 42.52 | 40.69 |
2 | 42.95 | 41.53 | 43.48 | 41.15 | |
3 | 43.09 | 43.96 | 43.66 | 41.66 | |
4 | 43.54 | 45.83 | 43.41 | 45.91 | |
5 | 43.93 | 47.50 | 43.53 | 47.21 | |
R极差 | 0.99 | 9.72 | 1.14 | 6.52 | |
贡献度 | 5.39% | 52.91% | 6.21% | 35.49% | |
排序 | 4 | 1 | 3 | 2 |
表13 Nu·F-1/3的望大信噪比函数
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | 43.10 | 37.79 | 42.52 | 40.69 |
2 | 42.95 | 41.53 | 43.48 | 41.15 | |
3 | 43.09 | 43.96 | 43.66 | 41.66 | |
4 | 43.54 | 45.83 | 43.41 | 45.91 | |
5 | 43.93 | 47.50 | 43.53 | 47.21 | |
R极差 | 0.99 | 9.72 | 1.14 | 6.52 | |
贡献度 | 5.39% | 52.91% | 6.21% | 35.49% | |
排序 | 4 | 1 | 3 | 2 |
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | -9.27 | -1.68 | -17.99 | -10.66 |
2 | -9.52 | -9.14 | -12.72 | -20.85 | |
3 | -10.89 | -13.09 | -9.88 | -12.05 | |
4 | -12.07 | -15.26 | -8.20 | -7.66 | |
5 | -14.38 | -16.95 | -7.32 | -4.90 | |
R极差 | 5.11 | 15.27 | 10.67 | 15.96 | |
贡献度 | 10.87% | 32.49% | 22.7% | 33.94% | |
排序 | 4 | 2 | 3 | 1 |
表14 Qt·pt-1望大损失函数处理结果
项目 | 水平 | 入口温度 | 入口流速 | 壁面温度 | 通道流型 |
---|---|---|---|---|---|
平均信噪比 | 1 | -9.27 | -1.68 | -17.99 | -10.66 |
2 | -9.52 | -9.14 | -12.72 | -20.85 | |
3 | -10.89 | -13.09 | -9.88 | -12.05 | |
4 | -12.07 | -15.26 | -8.20 | -7.66 | |
5 | -14.38 | -16.95 | -7.32 | -4.90 | |
R极差 | 5.11 | 15.27 | 10.67 | 15.96 | |
贡献度 | 10.87% | 32.49% | 22.7% | 33.94% | |
排序 | 4 | 2 | 3 | 1 |
流道类型 | 换热面积/m2 | 结构体积/m3 | 紧凑比/m2·m-3 |
---|---|---|---|
直通道 | 2.50×10-3 | 6.88×10-7 | 3636.37 |
波纹通道 | 2.80×10-3 | 7.71×10-7 | 3636.31 |
正弦通道 | 2.80×10-3 | 7.71×10-7 | 3635.83 |
百叶窗通道 | 4.12×10-3 | 1.06×10-6 | 3882.27 |
圆柱阵列通道 | 6.45×10-3 | 1.86×10-6 | 3458.77 |
表15 5种通道流型的紧凑度
流道类型 | 换热面积/m2 | 结构体积/m3 | 紧凑比/m2·m-3 |
---|---|---|---|
直通道 | 2.50×10-3 | 6.88×10-7 | 3636.37 |
波纹通道 | 2.80×10-3 | 7.71×10-7 | 3636.31 |
正弦通道 | 2.80×10-3 | 7.71×10-7 | 3635.83 |
百叶窗通道 | 4.12×10-3 | 1.06×10-6 | 3882.27 |
圆柱阵列通道 | 6.45×10-3 | 1.86×10-6 | 3458.77 |
实验 | 分类 | 最优组合 | pcost/% | Qtotal/W | Nu·F-1/3 | J·F-1/3 | Qt·pt-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
正交 | Nu·F-1/3最大 | A1B5C5D5 | 2.77 | 44596.22 | 375.14 | 2.44×10-2 | 0.12 |
J·F-1/3最大 | A3B1C3D5 | 0.17 | 12393.19 | 127.87 | 3.45×10-2 | 1.46 | |
Qt·pt-1最大 | A3B1C3D5 | 0.17 | 12393.19 | 127.87 | 3.45×10-2 | 1.46 | |
优化 | Nu·F-1/3最大 | A5B5C3D5 | 4.2 | 30300.90 | 378.22 | 1.86×10-2 | 0.24 |
J·F-1/3最大 | A1B1C3D5 | 0.18 | 15901.88 | 118.78 | 1.87×10-2 | 2.89 | |
Qt·pt-1最大 | A1B1C5D5 | 0.2 | 20849.86 | 104.41 | 2.97×10-2 | 3.31 |
表16 最优选验证
实验 | 分类 | 最优组合 | pcost/% | Qtotal/W | Nu·F-1/3 | J·F-1/3 | Qt·pt-1 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
正交 | Nu·F-1/3最大 | A1B5C5D5 | 2.77 | 44596.22 | 375.14 | 2.44×10-2 | 0.12 |
J·F-1/3最大 | A3B1C3D5 | 0.17 | 12393.19 | 127.87 | 3.45×10-2 | 1.46 | |
Qt·pt-1最大 | A3B1C3D5 | 0.17 | 12393.19 | 127.87 | 3.45×10-2 | 1.46 | |
优化 | Nu·F-1/3最大 | A5B5C3D5 | 4.2 | 30300.90 | 378.22 | 1.86×10-2 | 0.24 |
J·F-1/3最大 | A1B1C3D5 | 0.18 | 15901.88 | 118.78 | 1.87×10-2 | 2.89 | |
Qt·pt-1最大 | A1B1C5D5 | 0.2 | 20849.86 | 104.41 | 2.97×10-2 | 3.31 |
评价指标 | SNR average | SNRA | SNRB | SNRC | SNRD | SNR predict | SNR analyze |
---|---|---|---|---|---|---|---|
J·F-1/3 | -33.33 | -32.02 | -31.21 | -33.05 | -31.89 | -28.19 | -28.47 |
Nu·F-1/3 | 43.32 | 43.93 | 47.50 | 43.66 | 47.21 | 52.33 | 51.55 |
Qt·Pt-1 | -11.22 | -9.27 | -1.69 | -7.32 | -4.90 | 10.51 | 10.39 |
表17 可加性验证
评价指标 | SNR average | SNRA | SNRB | SNRC | SNRD | SNR predict | SNR analyze |
---|---|---|---|---|---|---|---|
J·F-1/3 | -33.33 | -32.02 | -31.21 | -33.05 | -31.89 | -28.19 | -28.47 |
Nu·F-1/3 | 43.32 | 43.93 | 47.50 | 43.66 | 47.21 | 52.33 | 51.55 |
Qt·Pt-1 | -11.22 | -9.27 | -1.69 | -7.32 | -4.90 | 10.51 | 10.39 |
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