二氧化碳微通道气冷器优化设计及分子动力学模拟

发布时间：2017-05-10 17:16

  本文关键词：二氧化碳微通道气冷器优化设计及分子动力学模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着社会经济的高速发展,能源与环境问题已经成为制约人类社会与经济可持续发展的主要问题,比如:最近几年的雾霾问题。所以国际制冷界越来越关注和提倡使用自然工质。氟利昂(包括HCFC以及CFC)等制冷剂对臭氧层的破坏作用并且会引起温室效应,其替代品的研制已经成为近年来的研究重点。天然工质二氧化碳作为一个不易燃的、无毒天然流体,具有零ODP(臭氧消耗潜能)以及较低的GWP(全球变暖潜值)。二氧化碳在安全性、可燃性、优良的物理特性等方面具有不可匹配的优势,因此成为了天然制冷剂的首选。微通道平行流气冷器以其结构优势和高效的换热效率,在跨临界二氧化碳汽车空调系统中有着良好的应用。因此,本文从理论出发,采用宏观数值分析计算,研究了微通道平行流气冷器的换热特性并对其做了结构优化。同时,运用分子动力学模拟软件计算了二氧化碳微观结构特征以及输运特性等。针对以上问题,本文主要在以下几个方面开展研究:1、对整体翅片式二氧化碳微通道气冷器的优缺点进行了分析,以翅片高度、厚度、间距为输入变量,空气侧最小压降和最大换热量为输出优化目标,运用CFD软件ANSYS建立数学模型,并将构建的模型导入mode FRONTIER软件,采用NSGA-Π遗传算法进行优化设计计算,整理出优化参数。优化结果表明,翅片高度选取5.7-6.3mm,翅片厚度0.15-0.25mm,翅片间距1.3-1.4mm时空气侧压降及换热性能达到最佳组合。2、利用CFD软件Fluent对整体翅片式微通道换热器空气侧流动与换热特性进行了数值模拟计算,着重研究了换热器结构参数对压降及换热系数的影响,分析整理出翅片高度、间距以及厚度等几何结构参数对换热器压降及换热系数的影响,并得出随着翅片高度的减小、厚度的增大、翅片间距的减小,换热器的压降及换热系数均在增大的结论。3、针对二氧化碳的微观结构的研究,采用目前最为强大的分子模拟软件Materials Studio。首先,仔细讲述了分子动力学模拟的各个关键技术,包括系综、力场、步长等;然后,模拟计算了超临界二氧化碳的密度以及自扩散系数;最后,将密度的计算结果与Refprop值做了对比,分析得出分子动力学模拟过程的各项参数设置准确,可以准确计算超临界二氧化碳的物性,并研究了二氧化碳自扩散系数在不同温度以及压力下的变化趋势。
【关键词】：超临界CO2 微通道 整体翅片 分子动力学
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK172
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-32
• 1.1 研究背景、意义12-14
• 1.2 CO_2 制冷循环基本流程14-16
• 1.3 CO_2 微通道气冷器16-17
• 1.4 二氧化碳汽车空调气体冷却器国内外研究现状17-25
• 1.4.1 CO_2 微通道气冷器空气侧流动传热研究18-21
• 1.4.2 超临界CO_2微细通道内对流换热特性研究21-25
• 1.4.3 二氧化碳制冷系统气体冷却器整体性能的研究25
• 1.5 微通道平行流气冷器对流换热的研究方法25-26
• 1.5.1 理论分析25-26
• 1.5.2 实验研究26
• 1.5.3 数值模拟计算26
• 1.6 计算机分子模拟26-30
• 1.6.1 分子动力学模拟27
• 1.6.2 势能函数27
• 1.6.3 平衡态系综27-28
• 1.6.4 边界条件28
• 1.6.5 积分算法28-29
• 1.6.6 控温控压方法29
• 1.6.7 分子模拟在超临界流体体系中的应用29-30
• 1.7 本文主要研究内容及方法30
• 1.8 小结30-32
• 2 基于响应面分析法的微通道换热器优化设计32-48
• 2.1 耦合计算设计流程32-34
• 2.2 多目标优化算法的理论基础34-36
• 2.3 三维单元模型的建立及参数化36-37
• 2.4 modeFRONTIER的优化流程37-42
• 2.4.1 建立流程37-39
• 2.4.2 响应面分析39-42
• 2.5 优化结果分析42-46
• 2.5.1 变量变化分析42-43
• 2.5.2 变量间相互影响分析43-45
• 2.5.3 优选区域分析45-46
• 2.6 小结46-48
• 3 整体翅片式微通道换热器的数值模拟48-61
• 3.1 计算流体力学简介48-55
• 3.1.1 计算流体力学概述48
• 3.1.2 CFD的优缺点及应用48-49
• 3.1.3 CFD理论数值方法49-50
• 3.1.4 计算流体力学的计算流程50
• 3.1.5 流体力学的基本控制方程50-52
• 3.1.6 常用数值模型简介52-55
• 3.2 整体翅片式微通道换热器模拟研究55-58
• 3.2.1 控制方程57
• 3.2.2 边界条件的设置及相关参数定义57-58
• 3.3 数值模拟结果与讨论58-60
• 3.4 小结60-61
• 4 超临界CO_2 的分子动力学模拟研究61-76
• 4.1 Material Studio简介61-62
• 4.1.1 相关功能模块介绍61-62
• 4.2 模拟方法和势能力场62-66
• 4.2.1 模拟方法62-63
• 4.2.2 力场的选择63-64
• 4.2.3 运动方程的积分算法64-65
• 4.2.4 周期性条件65-66
• 4.3 CO_2 的分子动力学模拟66-69
• 4.3.1 模型建立66
• 4.3.2 建立晶胞66-68
• 4.3.3 动力学模拟过程的平衡68-69
• 4.4 模拟参数的选择69-70
• 4.4.1 模拟分子数的选择69
• 4.4.2 算法的选择69
• 4.4.3 模拟确定时间步长69-70
• 4.4.4 位能的截断70
• 4.5 模拟结果70-75
• 4.5.1 CO_2 的密度70-72
• 4.5.2 CO_2 的自扩散系数72-75
• 4.6 本章小结75-76
• 5 结论与展望76-78
• 5.1 本文主要研究结论76-77
• 5.2 展望77-78
• 参考文献78-84
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果84-85
• 致谢85

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 任能;;微通道换热器在制冷空调行业应用进展综述[A];中国制冷学会2009年学术年会论文集[C];2009年

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本文编号：355214