本發(fā)明涉及仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),具體涉及一種仿生鷹隼上喙部曲線的管殼式換熱器折流板設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù):
1、隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,工業(yè)的大力發(fā)展,工業(yè)中的換熱需求也逐漸增加。而傳統(tǒng)的弓形折流板管殼式換熱器的換熱效率已無法滿足如今的換熱需求,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也無法達(dá)到需要的傳熱效果。而仿生技術(shù)作為從自然界生物體中汲取靈感并應(yīng)用于工程與科技領(lǐng)域的一門交叉學(xué)科,近年來在全球范圍內(nèi)獲得了廣泛關(guān)注。通過模擬自然界中的生物結(jié)構(gòu)與功能,人們可以設(shè)計(jì)出高效、節(jié)能的工程解決方案,提升各類設(shè)備的性能和可靠性。在這其中,仿生鷹隼喙部曲線因其獨(dú)特的空氣動(dòng)力學(xué)特性和換熱性能,成為了研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)方向。
2、鷹隼等猛禽以其卓越的飛行能力和捕食技巧聞名,其喙部不僅在捕食時(shí)展現(xiàn)出強(qiáng)大的咬合力和靈活性,更在飛行過程中通過獨(dú)特的曲線形態(tài)減少空氣阻力,提升飛行效率。因此,如何設(shè)計(jì)仿生鷹隼上喙部曲線并應(yīng)用到管殼式換熱器中,是本領(lǐng)域技術(shù)人員需解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn),本發(fā)明提供一種仿生鷹隼上喙部曲線的管殼式換熱器折流板設(shè)計(jì)方法,針對管殼式換熱器換熱性能不足的問題,提供一種根據(jù)仿生原理曲線的管殼式換熱器折流板,使管殼式換熱器的傳熱性能得到提高。
2、為實(shí)現(xiàn)上述效果,本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
3、本發(fā)明提供一種仿生鷹隼上喙部曲線的管殼式換熱器折流板設(shè)計(jì)方法,包括以下步驟:
4、步驟一:獲取鷹隼喙部圖像,通過提取圖像特征點(diǎn)的方式得到鷹隼喙部曲線坐標(biāo);將鷹隼喙部圖像的尺寸空間l(x,y,σ)定義為一個(gè)變化尺度的高斯函數(shù)g(x,y,σ)與原鷹隼喙部圖像i(x,y)的卷積,即:
5、l(x,y,σ)=g(x,y,σ)*i(x,y)
6、為了提取鷹隼喙部圖像穩(wěn)定的特征點(diǎn),將鷹隼喙部圖像的特征點(diǎn)作為關(guān)鍵點(diǎn),建立尺度空間dog函數(shù),尺度空間dog函數(shù)為:
7、d(x,y,σ)=[g(x,y,kσ)-g(x,y,σ)]*i(x,y)
8、式中,σ表示尺度空間因子,k表示系數(shù);
9、對尺度空間dog函數(shù)進(jìn)行曲線擬合,尺度空間dog函數(shù)在尺度空間上的taylor展開式為:
10、
11、式中,x=(x,y,σ)t;
12、對求導(dǎo)并等于零,得到極值點(diǎn)相對插值中心的偏移量為:
13、
14、當(dāng)偏移量在任一維度上大于0.5時(shí),表明插值操作的中心點(diǎn)已經(jīng)與其鄰近點(diǎn)重合,這樣插值操作的中心點(diǎn)不滿足穩(wěn)定條件,則改變當(dāng)前插值中心的位置,同時(shí)在新的位置上反復(fù)插值直到尺度空間dog函數(shù)收斂;若偏移量超出所尺度空間dog函數(shù)設(shè)定的迭代次數(shù)或超出鷹隼喙部圖像邊界的范圍,則將該插值中心點(diǎn)刪除;基于圖像局部的梯度方向,分配給每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位置一個(gè)或多個(gè)方向;
15、為每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)建立一個(gè)描述符,用一組向量對關(guān)鍵點(diǎn)描述,使該關(guān)鍵點(diǎn)不隨各種變化而改變;所述描述符包括關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)周圍對關(guān)鍵點(diǎn)有貢獻(xiàn)的像素點(diǎn);分別對原鷹隼喙部圖像和處理過程中的鷹隼喙部圖像建立關(guān)鍵點(diǎn)描述子集合;
16、步驟二:將曲線坐標(biāo)整合成坐標(biāo)集,對坐標(biāo)集進(jìn)行排序;
17、步驟三:用多項(xiàng)式擬合方法對排序后坐標(biāo)集中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,通過對多項(xiàng)式階數(shù)進(jìn)行調(diào)整,多項(xiàng)式階數(shù)的調(diào)整區(qū)間為[2-9],生成契合坐標(biāo)點(diǎn)的鷹隼上喙部曲線方程,鷹隼上喙部曲線方程為:
18、y=0.027x2-2.709x+97.06
19、式中,x的取值范圍為:40≤x≤110;
20、步驟四:根據(jù)擬合出的鷹隼上喙部曲線方程建立鷹隼上喙部曲線模型,并將鷹隼上喙部曲線模型應(yīng)用到管殼式換熱器的折流板(7)上,使得折流板(7)的邊緣呈弧形狀。
21、進(jìn)一步的,所述高斯函數(shù)g(x,y,σ)表示為:
22、
23、式中,m、n表示高斯函數(shù)的維度,(x,y)表示鷹隼喙部圖像中像素點(diǎn)的位置,σ表示尺度空間因子。
24、進(jìn)一步的,步驟四后還包括:建立管殼式換熱器的有限元模型;管殼式換熱器中的換熱形式包括對流傳熱與傳導(dǎo)傳熱,對流傳熱公式為:
25、q=h*(tw-t∞)
26、式中,q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時(shí)間內(nèi)交換的熱量,稱作熱流密度,單位w/m2;tw、t∞分別為固體表面的溫度和流體表面的溫度,單位k;h為表面對流傳熱系數(shù),單位w/(m2*k);
27、傳導(dǎo)傳熱公式為:
28、
29、式中,t為時(shí)間;x、y、z為坐標(biāo)軸;ρ為密度;cp為定壓比熱容;q為溫度的傳熱速率;根據(jù)對流傳熱與傳導(dǎo)傳熱的傳熱公式,設(shè)置約束條件,得到管殼式換熱器的溫度云圖,得到管殼式換熱器溫度分布與變化;所述約束條件包括管道的材料、流體溫度和進(jìn)出口流速。
30、進(jìn)一步的,所述管殼式換熱器折流板由管殼(1)、冷流體入口端(2)、冷流體出口端(3)、熱流體進(jìn)口端(4)、熱流體出口端(5)和多個(gè)換熱管(6)組成,所述管殼(1)的內(nèi)壁固定連接有主管板(61)、副管板(62)和多個(gè)折流板(7)。
31、進(jìn)一步的,所述換熱管(6)為雙通換熱管,多個(gè)所述換熱管(6)分別貫穿多個(gè)折流板(7)并與其固定連接。
32、進(jìn)一步的,所述多個(gè)換熱管(6)為相互平行分布。
33、進(jìn)一步的,所述多個(gè)折流板(7)在管殼(1)內(nèi)端上下兩側(cè)交錯(cuò)分布。
34、進(jìn)一步的,所述折流板(7)數(shù)量為6~12個(gè)。
35、進(jìn)一步的,多個(gè)所述折流板(7)均勻分布于主管板(61)和副管板(62)之間。
36、進(jìn)一步的,所述管殼式換熱器由304不銹鋼制成,導(dǎo)熱系數(shù)為14.5w/(m·k)。
37、鷹隼上喙部曲線形態(tài)能夠顯著增加換熱器的表面積,使得更多的熱量可以通過換熱器表面?zhèn)鬟f。同時(shí),曲線結(jié)構(gòu)可以在氣流中形成局部湍流,提高熱量的傳遞效率。通過對這種自然結(jié)構(gòu)的仿生研究,可以為換熱技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方向。
38、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是:
39、針對管殼式換熱器換熱性能不足的問題,本發(fā)明獲取鷹隼喙部圖像,通過提取圖像特征點(diǎn)的方式得到鷹隼喙部曲線坐標(biāo),將鷹隼喙部圖像的尺寸空間l(x,y,σ)定義為一個(gè)變化尺度的高斯函數(shù)g(x,y,σ)與原鷹隼喙部圖像i(x,y)的卷積,提供一種根據(jù)仿生原理曲線的管殼式換熱器折流板,使管殼式換熱器的傳熱性能得到提高。
1.一種仿生鷹隼上喙部曲線的管殼式換熱器折流板設(shè)計(jì)方法,其特征在于,包括以下步驟:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述高斯函數(shù)g(x,y,σ)表示為:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,步驟四后還包括:建立管殼式換熱器的有限元模型;管殼式換熱器中的換熱形式包括對流傳熱與傳導(dǎo)傳熱,對流傳熱公式為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于,所述管殼式換熱器折流板由管殼(1)、冷流體入口端(2)、冷流體出口端(3)、熱流體進(jìn)口端(4)、熱流體出口端(5)和多個(gè)換熱管(6)組成,所述管殼(1)的內(nèi)壁固定連接有主管板(61)、副管板(62)和多個(gè)折流板(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,所述換熱管(6)為雙通換熱管,多個(gè)所述換熱管(6)分別貫穿多個(gè)折流板(7)并與其固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,所述多個(gè)換熱管(6)為相互平行分布。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,所述多個(gè)折流板(7)在管殼(1)內(nèi)端上下兩側(cè)交錯(cuò)分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,所述折流板(7)數(shù)量為6~12個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,多個(gè)所述折流板(7)均勻分布于主管板(61)和副管板(62)之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其特征在于,所述管殼式換熱器由304不銹鋼制成,導(dǎo)熱系數(shù)為14.5w/(m·k);換熱管(6)由銅制成,導(dǎo)熱系數(shù)為400w/(m·k)。