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。

技術(shù)特征：

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)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了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。方法包括：建立鷹隼上喙部的原始曲線，通過圖像的尺度空間極值檢測、關(guān)鍵點(diǎn)定位、方向分配、關(guān)鍵點(diǎn)描述和特征點(diǎn)匹配等步驟，提取鷹隼喙部圖片上的特征點(diǎn)，對匹配結(jié)果進(jìn)行選和優(yōu)化，去除誤匹配的點(diǎn)，提高匹配的準(zhǔn)確性和魯棒性；整合提取出的坐標(biāo)點(diǎn)，通過多項(xiàng)式擬合方法擬合出鷹隼上喙部的仿生曲線；將鷹隼上喙部仿生曲線應(yīng)用到散熱器的折流板上，建立管殼式散熱器模型，進(jìn)行仿真模擬。本發(fā)明可以提高管殼式換熱器的換熱效率，降低能耗，具有切實(shí)可行的實(shí)用價(jià)值。

技術(shù)研發(fā)人員：王永方,陳中,彭瑞,宋祖笑,荊旦琪,許明明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：淮陰工學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21