不同翼型涡产生器扁管板翅式换热器流动与传热性能的POD分析
发布时间：2021-04-15 15:53
传统的有限容积法（FVM）在数值分析复杂结构流动与传热问题时存在计算存储空间大、耗时长等不足,随着工业技术的快速发展,急需开发一种快速而准确的计算方法。本征正交分解（POD）方法能够减少描述物理过程中所储存的数据量,大大缩短计算时间,并保证准确性。但是,POD技术用于流动与传热问题的现有研究中,大部分基于简单的物理模型和单一的热边界条件,这些条件与物理实际存在一定的偏差。本文针对带有不同翼型涡产生器的扁管板翅式换热器,首次建立了基于适体坐标系、在耦合传热边界条件下的POD降阶模型,并对POD方法的适用性进行了分析讨论。主要工作为:（1）在适体坐标系下对安装有三种不同翼型（直角三角形翼、等腰三角形翼、矩形翼）涡产生器的扁管板翅式换热器的物理模型进行计算区域离散,采用FVM建立了求解带有这三种翼型涡产生器的扁管板翅式换热器的高阶求解模型,并在耦合边界条件下进行了流动与传热性能的多工况模拟计算,为POD方法的应用提供了样本。（2）采用拉格朗日插值、线性插值和牛顿插值的方法求解谱系数;采用SVD（Singular Value Decomposition）方法从FVM高阶模型样本中提取基函数;结...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
适体坐标网格生成示意图
不同翼型涡产生器扁管板翅式换热器流动与传热性能的POD分析-6-只要在计算平面中采用矩形网格即可，所以适体坐标系生成的是结构化网格。(3)物理平面求解区域内部的网格疏密程度要易于控制。(4)在适体坐标的边界上，网格线最好与边界线正交或接近于正交，以便于边界条件的离散化[67]。目前生成适体坐标的主要方法有：(1)代数生成法。就是通过代数关系式，把物理平面上的不规则区域转换成计算平面上规则区域的方法，一般适用于边界较规则的区域。该方法的不足之处在于适用范围较窄，需要构造不同的代数关系式来完成不同区域的转换，生成网格的正交性较差。最常用的是双边界法和无线插值法。(2)微分方程法。通过求解微分方程获得平面与物理平面上节点间的对应关系。微分方程法将适体网格的生成表述成一个边值问题，即已知计算平面上的边界点(ξB，ηB)所对应的物理平面边界上相应点(xB，yB)，求解内部点(ξ，η)所对应的物理平面坐标(x，y)。应用这种方法时可以利用微分方程的一些性质使所生成网格更合理、完善。(3)复变函数法。复变函数法也叫保角变换法，该方法通过对原区域在复平面上旋转伸缩平移等变换将不规则区域规则化。由于要求边界连续，所以对变换的区域要求较高，生成网格可控性较差，从应用程度来讲它是介于代数法和微分方程法之间的一种网格生成手段[67]。2.1.2采用适体坐标建立求解区域通过适体坐标变换可以将具有相同特点的不同形状物理区域转换成相同的计算区域。因此，通过计算区域即可联系多个形状区域，为求解不同形状区域提供统一的转换平台。下面以一个如图2.2所示的物理模型的二维截面为例进行说明。图2.2扁管换热器模型
兰州交通大学硕士学位论文-7-图2.3适体坐标变换示意图如图2.3所示，物理区域A和计算区域的映射关系为,,1Fyx，物理区域B和计算区域映射关系为,,2Fyx。由此可知，对于物理区域A中的任意一点11(x,y)，都可以找到其在计算平面上的对应点11,Fx,y(11F表示1F映射的逆映射)，进而可以得到物理区域B上与11(x,y)相对应的点1222211111(x,y)F(,)FFx,yG(x,y)。1F和2F都是一一对应的映射关系，可推出物理区域A和B之间的映射关系G也为一一映射关系，同理可以建立起同一物理模型在计算坐标下其它不同形状物理区域间的映射关系[68]。2.2POD理论基本思想POD方法是一种完全基于现有数据分析高维数据的方法。这种方法提供了一组满足最小二乘意义上能量最优的基函数，将这组基函数和对应谱系数进行线性组合即可实现对高维数据的低维描述。通常少数几个含能最高的POD基函数就包含了样本数据的本质信息，可以以较高的精度重构样本数据[69]。POD与插值法相结合可以对高维度物理问题建立降阶模型，该模型可以在保证计算结果精度的前提下实现物理问题的高效求解。POD降阶模型的实施过程如图2.4所示，包括以下三个步骤：(1)对样本矩阵进行本征正交分解得到POD基函数；(2)根据物理问题的实际情况，选取含能较高的几组基函数并用插值法计算对应谱系数；
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical investigation on flow field characteristics of dual synthetic cold/hot jets using POD and DMD methods[J]. Qiang LIU,Zhenbing LUO,Xiong DENG,Lin WANG,Yan ZHOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2020(01)
[2]本征正交分解在发动机缸内流场拟序结构研究中的应用[J]. 秦文瑾,齐观超,汪涛,周磊,贾明,解茂昭. 汽车工程. 2019(09)
[3]POD和DMD方法分析不同间隙压气机旋转不稳定性特性[J]. 吴亚东,李涛,赖生智. 航空动力学报. 2019(09)
[4]基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析[J]. 傅珏,杨波,钟芳源. 航空动力学报. 2019(09)
[5]淹没射流流场结构的POD分析及空化云演化[J]. 毛宁,康灿,周明明. 工程热物理学报. 2019(09)
[6]低比转速离心叶轮的POD代理模型优化方法[J]. 郭广强,张人会,陈学炳,李仁年. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(07)
[7]飞行器大攻角复杂流动的POD和DMD对比分析[J]. 张扬,张来平,邓小刚,孙海生. 气体物理. 2018(05)
[8]劈缝射流尾迹特征的实验研究[J]. 姚世传,施鎏鎏,黄春光,陈榴,戴韧. 工程热物理学报. 2018(08)
[9]基于代理模型和线性近似的快速气动热边界求解方法[J]. 王洋,袁军娅,王洪兴. 导弹与航天运载技术. 2018(04)
[10]基于本征正交分解的缸内流场仿真校核方法探究[J]. 顾鹏,葛鹏辉,许敏. 车用发动机. 2018(03)
博士论文
[1]湍流有旋流冷态流场及扩散火焰的大涡模拟[D]. 张济民.中国科学技术大学 2013
硕士论文
[1]扁管管翅式换热器流动与传热性能的POD分析[D]. 常悦.兰州交通大学 2019
[2]冷热原油管道顺序输送工艺高效计算研究[D]. 陈艺彤.中国石油大学(北京) 2018
[3]钝体—平板角区复杂流动的大涡模拟研究[D]. 邓涛.重庆大学 2018
[4]基于POD方法的扁管管翅式换热器换热数值模拟[D]. 胡文婷.兰州交通大学 2017
[5]三棱柱绕流流场特性实验研究[D]. 江建华.厦门大学 2017
[6]POD降维算法在传热与流动数值模拟中的应用[D]. 冯俞楷.华北电力大学(北京) 2017
[7]气动光学窗口POD分析及光传输效应建模与仿真[D]. 王业芳.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3139634
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
适体坐标网格生成示意图
不同翼型涡产生器扁管板翅式换热器流动与传热性能的POD分析-6-只要在计算平面中采用矩形网格即可，所以适体坐标系生成的是结构化网格。(3)物理平面求解区域内部的网格疏密程度要易于控制。(4)在适体坐标的边界上，网格线最好与边界线正交或接近于正交，以便于边界条件的离散化[67]。目前生成适体坐标的主要方法有：(1)代数生成法。就是通过代数关系式，把物理平面上的不规则区域转换成计算平面上规则区域的方法，一般适用于边界较规则的区域。该方法的不足之处在于适用范围较窄，需要构造不同的代数关系式来完成不同区域的转换，生成网格的正交性较差。最常用的是双边界法和无线插值法。(2)微分方程法。通过求解微分方程获得平面与物理平面上节点间的对应关系。微分方程法将适体网格的生成表述成一个边值问题，即已知计算平面上的边界点(ξB，ηB)所对应的物理平面边界上相应点(xB，yB)，求解内部点(ξ，η)所对应的物理平面坐标(x，y)。应用这种方法时可以利用微分方程的一些性质使所生成网格更合理、完善。(3)复变函数法。复变函数法也叫保角变换法，该方法通过对原区域在复平面上旋转伸缩平移等变换将不规则区域规则化。由于要求边界连续，所以对变换的区域要求较高，生成网格可控性较差，从应用程度来讲它是介于代数法和微分方程法之间的一种网格生成手段[67]。2.1.2采用适体坐标建立求解区域通过适体坐标变换可以将具有相同特点的不同形状物理区域转换成相同的计算区域。因此，通过计算区域即可联系多个形状区域，为求解不同形状区域提供统一的转换平台。下面以一个如图2.2所示的物理模型的二维截面为例进行说明。图2.2扁管换热器模型
兰州交通大学硕士学位论文-7-图2.3适体坐标变换示意图如图2.3所示，物理区域A和计算区域的映射关系为,,1Fyx，物理区域B和计算区域映射关系为,,2Fyx。由此可知，对于物理区域A中的任意一点11(x,y)，都可以找到其在计算平面上的对应点11,Fx,y(11F表示1F映射的逆映射)，进而可以得到物理区域B上与11(x,y)相对应的点1222211111(x,y)F(,)FFx,yG(x,y)。1F和2F都是一一对应的映射关系，可推出物理区域A和B之间的映射关系G也为一一映射关系，同理可以建立起同一物理模型在计算坐标下其它不同形状物理区域间的映射关系[68]。2.2POD理论基本思想POD方法是一种完全基于现有数据分析高维数据的方法。这种方法提供了一组满足最小二乘意义上能量最优的基函数，将这组基函数和对应谱系数进行线性组合即可实现对高维数据的低维描述。通常少数几个含能最高的POD基函数就包含了样本数据的本质信息，可以以较高的精度重构样本数据[69]。POD与插值法相结合可以对高维度物理问题建立降阶模型，该模型可以在保证计算结果精度的前提下实现物理问题的高效求解。POD降阶模型的实施过程如图2.4所示，包括以下三个步骤：(1)对样本矩阵进行本征正交分解得到POD基函数；(2)根据物理问题的实际情况，选取含能较高的几组基函数并用插值法计算对应谱系数；
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical investigation on flow field characteristics of dual synthetic cold/hot jets using POD and DMD methods[J]. Qiang LIU,Zhenbing LUO,Xiong DENG,Lin WANG,Yan ZHOU. Chinese Journal of Aeronautics. 2020(01)
[2]本征正交分解在发动机缸内流场拟序结构研究中的应用[J]. 秦文瑾,齐观超,汪涛,周磊,贾明,解茂昭. 汽车工程. 2019(09)
[3]POD和DMD方法分析不同间隙压气机旋转不稳定性特性[J]. 吴亚东,李涛,赖生智. 航空动力学报. 2019(09)
[4]基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析[J]. 傅珏,杨波,钟芳源. 航空动力学报. 2019(09)
[5]淹没射流流场结构的POD分析及空化云演化[J]. 毛宁,康灿,周明明. 工程热物理学报. 2019(09)
[6]低比转速离心叶轮的POD代理模型优化方法[J]. 郭广强,张人会,陈学炳,李仁年. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(07)
[7]飞行器大攻角复杂流动的POD和DMD对比分析[J]. 张扬,张来平,邓小刚,孙海生. 气体物理. 2018(05)
[8]劈缝射流尾迹特征的实验研究[J]. 姚世传,施鎏鎏,黄春光,陈榴,戴韧. 工程热物理学报. 2018(08)
[9]基于代理模型和线性近似的快速气动热边界求解方法[J]. 王洋,袁军娅,王洪兴. 导弹与航天运载技术. 2018(04)
[10]基于本征正交分解的缸内流场仿真校核方法探究[J]. 顾鹏,葛鹏辉,许敏. 车用发动机. 2018(03)
博士论文
[1]湍流有旋流冷态流场及扩散火焰的大涡模拟[D]. 张济民.中国科学技术大学 2013
硕士论文
[1]扁管管翅式换热器流动与传热性能的POD分析[D]. 常悦.兰州交通大学 2019
[2]冷热原油管道顺序输送工艺高效计算研究[D]. 陈艺彤.中国石油大学(北京) 2018
[3]钝体—平板角区复杂流动的大涡模拟研究[D]. 邓涛.重庆大学 2018
[4]基于POD方法的扁管管翅式换热器换热数值模拟[D]. 胡文婷.兰州交通大学 2017
[5]三棱柱绕流流场特性实验研究[D]. 江建华.厦门大学 2017
[6]POD降维算法在传热与流动数值模拟中的应用[D]. 冯俞楷.华北电力大学(北京) 2017
[7]气动光学窗口POD分析及光传输效应建模与仿真[D]. 王业芳.哈尔滨工程大学 2012
本文编号：3139634
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