稳态耦合传热系统的模糊反演

发布时间：2017-09-11 01:40

  本文关键词：稳态耦合传热系统的模糊反演

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【摘要】：传热学反问题(Inverse heat transfer problem,IHTP)是指基于传热系统的温度观测信息反演系统的某些未知特征参量,如边界条件、热物性参数和几何形状等。涉及耦合传热的各类换热设备广泛应用于电站、制冷、炼油和化工等工程领域。传热学反问题方法为换热设备的优化设计、换热设备性能的综合评价及在线监测等提供了一种十分有前途的技术方案。由于传热学反问题所固有的不适定性,目前常用的传热学反问题典型研究方法,如共轭梯度法(Conjugate Gradient Method,CGM)和遗传算法(Genetic Algorithm,GA)等研究方法,对温度测点数目和测量误差等具有较强的依赖性,难以获得理想的反演结果。基于模糊理论基础的分散式模糊推理方法(Decentralized Fuzzy Inference method,DFIM))是一种具有良好鲁棒性和容错能力的不确定推理方法,能够基于不精确和不完备的观测信息做出有效的决策,为传热学反问题的研究提供了一种十分有效的理论方法。本文研究了基于DFIM的稳态耦合传热系统的反演问题,主要内容包括:(1)给出了一种求解流固耦合传热正问题的BEM-FVM方法。针对二维稳态耦合传热问题,分别采用边界元法(Boundary Element Method,BEM)和有限容积法(Finite Volume Method,FVM)求解固体导热及流体传热正问题的数值模型,并结合流固界面温度和热流连续条件,确定固体边界的节点温度及流体区域的温度场。(2)概述了采用CGM和GA方法求解反问题的基本原理和流程,并基于CGM和GA,反演了圆管流固耦合传热系统的固态附着层外壁边界的几何形状。结合数值实验,讨论了在上述两种反演方法下,边界几何形状的初始猜测值、温度测点数目以及测量误差等因素对反演结果的影响,总结了CGM和GA两种优化方法在求解反问题中存在的问题。(3)结合传热学反问题存在的问题和模糊推理方法的特点,建立了求解二维稳态耦合传热系统反问题的分散式模糊推理方法(DFIM)。以温度测量值与传热正问题计算值的偏差作为输入信息进行分散模糊推理;建立了一种基于正态分布的综合加权方法,对各个分散模糊推理分量进行加权综合,获得待反演参数分布的补偿量,对反演参数分布的当前猜测值进行修正。(4)应用所提出的DFIM方法,分别研究了二维流固耦合传热系统的边界几何形状反演问题和边界热流分布反演问题,并与CGM和GA两种方法的反演结果的对比,验证了DFIM求解耦合传热反问题的有效性。通过数值实验,讨论了待反演边界条件分布的初始猜测值、温度测点数目及测量误差等因素对反演结果的影响。结果表明,与CGM和GA相比,DFIM明显降低了反演对温度测点数目的要求,增强了对测量误差的抗干扰能力,具有良好的抗不适定性。
【关键词】：耦合传热 反问题 分散模糊推理 模糊反演
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 传热学反问题概述10-11
• 1.2 传热学反问题的研究方法11-15
• 1.2.1 Tikhonov正则化方法12-13
• 1.2.2 梯度优化方法13
• 1.2.3 智能优化方法13-14
• 1.2.4 分散模糊推理方法14-15
• 1.3 耦合传热反问题的研究现状15-16
• 1.4 本文主要工作16-18
• 2 边界元法原理及流固耦合传热正问题求解18-32
• 2.1 边界元法概述18
• 2.2 二维平面稳态导热问题的边界元分析18-23
• 2.2.1 二维平面导热问题的边界积分方程18-20
• 2.2.2 边界元积分方程的离散与数值分析20-23
• 2.3 轴对称稳态导热问题的边界元分析23-25
• 2.3.1 轴对称问题的边界积分方程23-24
• 2.3.2 边界元积分方程的离散与数值分析24-25
• 2.4 流固耦合传热正问题求解25-29
• 2.4.1 固体区域求解26-27
• 2.4.2 流体区域求解27-28
• 2.4.3 流固耦合传热正问题求解流程28
• 2.4.4 数值求解及网格无关性验证28-29
• 2.5 本章小结29-32
• 3 传热学反问题的优化方法及主要问题32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 基于CGM和GA的几何形状反演32-35
• 3.2.1 基于CGM的附着层边界几何形状反演32-33
• 3.2.2 基于GA的附着层边界几何形状反演33-35
• 3.3 数值实验及结果讨论35-39
• 3.3.1 初始猜测值的影响36-37
• 3.3.2 测点数目的影响37-38
• 3.3.3 测量误差的影响38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 4 基于分散模糊推理方法的几何形状反演40-58
• 4.1 引言40
• 4.2 分散式模糊推理方法40-48
• 4.2.1 模糊推理思想40-41
• 4.2.2 分散式模糊推理反演系统41-42
• 4.2.3 分散模糊推理模块42-45
• 4.2.4 分散式模糊推理系统的综合加权45-48
• 4.3 附着层几何形状的模糊反演48-51
• 4.3.1 分散模糊推理结构48
• 4.3.2 模糊推理单元48-50
• 4.3.3 模糊推理结果的加权综合50-51
• 4.3.4 附着层外壁几何形状的反演流程51
• 4.4 数值实验及讨论51-57
• 4.4.1 加权综合模型中方差系数? 的选取51-53
• 4.4.2 初始猜测值对反演结果的影响53-54
• 4.4.3 测点数目对反演结果的影响54-56
• 4.4.4 测量误差对反演结果的影响56-57
• 4.5 本章小结57-58
• 5 基于DFIM的耦合传热过程热流分布反演58-72
• 5.1 引言58
• 5.2 传热过程模型58-61
• 5.2.1 平板区域求解59-60
• 5.2.2 流体区域求解60
• 5.2.3 流固耦合传热正问题求解60-61
• 5.3 热流分布的模糊反演61-64
• 5.3.1 分散式模糊推理结构61-62
• 5.3.2 模糊推理单元62-63
• 5.3.3 模糊推理结果的加权综合63-64
• 5.3.4 平板外壁热流反演的基本流程64
• 5.4 数值实验及讨论64-71
• 5.4.1 正问题验证和CGM及GA说明65-66
• 5.4.2 初始猜测值对反演结果的影响66-67
• 5.4.3 测点数目对反演结果的影响67-69
• 5.4.4 测量误差对反演结果的影响69-71
• 5.5 本章小结71-72
• 6 总结与展望72-74
• 致谢74-76
• 参考文献76-84
• 附录84
• A. 作者在攻读硕士学位期间已完成的的论文目录84
• B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目84

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