




已阅读5页,还剩76页未读, 继续免费阅读
(机械电子工程专业论文)空气幕均匀送风管道优化设计及仿真.pdf.pdf 免费下载
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
摘要 空气蓦是逶熙工程中的一个典型痘鬟,是剩馥特制鹣空气分毒器,囔 射出定温度和速成的幕状气流,封闭一定的工作区域,以减少或隔绝外 雾气滤或有密物质l 拳入,终持这一工作区域的气象条传。 在空气幕的设计计算中,均匀送风管道的设计是关键内容,它的设计 结果爨接决定着空气摹的工作效率,技术经济指标等。 优化设计i 是数学规划与计算机技术相结合的产物,它在工程设计中的 应用大大提态了设计质量,缩短了设计周期。本文基于不可压缨气体灼空 气流动基本理论,采用非线性数学规翎和多目标函数优化的方法,利j j = m a t l a b 软件的强大计算和图象处理功熊,对空气幕均匀送风蛰道进行了 优化设计和仿真,主要研究工作如f : 1 、建立并分析了空气黎均匀送风管道的数学模型,对均匀遴风管遨的 参数进行优纯,伎空气幕懿综合性能指标运郅最优,并通过与生产厂家观 有产鼎的性能对比,映证了优化结果的可靠性和逶应性; 2 、在m a t l a b 软件的环境下实现上述过程的程序设计; 3 、对优化的结果实现空气幕的参数化仿真。 本文酶磷究工作为空气幕的设计提供了筒镂的方法,对提离空气藜的 设计效率和设计质壁有较好的参考作用。 关键词:空气幕均匀送风管道优化设计仿真 a b s t r a c t at y p i c a la p p l i c a t i o ni nv e n t i l a t ee n g i n e e r i n g ,t h ea i rc u r t a i n ,p r o v i d e s , t h r o u g h i t s s p e c i a l a i r d i s t r i b u t i n gm a c h i n e ,j e t t i n ga i r f l o ww i t h c e r t a i n t e m p e r a t u r ea n ds p e e dt os l a c kac e r t a i nv o l u m eo fw o r k i n gs p a c e ,i no r d e rt o r e d u c eo rb l o c ko f f t h ei n v a s i o no fo u t s i d ea i ro rh a r m f u ls u b s t a n c e ,a n df i ) r t h ep u r p o s eo fk e e p i n gt h ew o r ka r e aag o o dm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n i nt h i sd e s i g n i n gi s s u e ,i t st h ep r o p o r t i o n e da i rd u c t s ,t h ek e y s t o n ei nt h e a i rc u r t a i nd e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i o n ,w h od e t e r m i n e sd i r e c t l yt h ee f f i c i e n c y a n dt h et e c h n i c a la n de c o n o m i cp a r a m e t e ro ft h ea i rc u r t a i n b e i n gac o m b i n a t i o no fp r o g r a m m i n gi nm a t h e m a t i c sa n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ,t h eo p t i m i z a t i o n o fd e s i g ni m p r o v e sg r e a t l yt h eq u a l i t yo ft h e d e s i g na n di ta l s os h o r t e n st h et i m e c y c l ef o rt h a tp u r p o s e ,t h i sp a p e r ,b a s e d o nt h eu n c o m p r e s s e da i rf l o w i n gt h e o r y ,u s et h em e t h o d so fn o n l i n e a r p r o g r a m m i n ga n dm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n t h ep r o p o r t i o n e da i rd u c t so f a i rc u r t a i ni s o p t i m i z e da n ds i m u l a t e d ,i nt h i sp a p e r ,w i t ht h ep o w e r f u l f u n c t i o no fc a l c u l a t i o na n di m a g em a n i p u l a t i o no f f e r e db ym a t l a b t h e m a i nr e s e a r c hw o r k sa r ea sf o l l o w : 1 、ap r o p o r t i o n e da i rd u c t sm o d e lf o ra i rc u r t a i nw a se s t a b l i s h e da n d a n a l y z e d i nt h i s p a p e r ,i t si n t e g r a t e dp a r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e d ,t h e r e l i a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h er e s u l ta r ec o n f i r m e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o n w i t ht h ep r o d u c t sf r o mt h em a n u f a c t u r e r s ; 2 、t h ea b o v em e n t i o n e dw o r k sp r o g r a m m e di nm a t l a b ; 3 、t h es i m u l a t i o no ft h er e s u l to fo p t i m i z a t i o n t h er e s e a r c hw o r k so ft h i sp a p e rp r o v i d e sas i m p l ew a yo ft h ea i rc u r t a i n d e s i g n i n g ;i tt h u ss e r v e sa sau s e f u lr e f e r e n c ef o rt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t y i m p r o v e m e n ti na i rc u r t a i nd e s i g n i n g k e y w o r d s :a i rc u r t a i n ;p r o p o r t i o n e d a i r d u c t s ;d e s i g n f o r o p t i m i z a t i o n s i m u l a t i o n 独创性声明 本久声嘴所呈交酌学位论文怒本入在导师指导下遴行的磷究工 乍和 取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其 谴久已经发表或撰写过的薹扦究成粜,也不包含为获褥鑫鎏盘茔或箕他 教育机构的学位或诚书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 骰的任褥贡靛均已在论文中作了鞠确蠡鼋说臻并表示了巍意。 学位论文作者签名:戤地孑。 签字日期:却咿r 年月,五日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鎏叁篷 有关保留、使用学位论文的 规定。特授权叁婆筮堂可以将学位论文的全部或部分内窖编入有关数 据滗进行检索,并采用影印、缩印或扫攒等复制手段保存、汇编以供查阅 和借阅。同意学校向国家奇关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后邋用本授权说明) 学经论文佟者签名:弦娃孝。 签字日期2 叫僻月工e t 导灏签名: 签字日期:日 移1 甲 轮 必蹿牌 第一章绪论 第一章绪论 11课题的研究背景及意义 空气幕是利用特制的空气分布器 7 1 02 ”,喷射出一定温度和速度的幕 状气流,借以封闭建筑物大门,以减少或隔绝外界气流侵入;或使外部气 流和空气幕气流混合,以改变外部冲入气流的温度;或使流向门口的气流 遇到幕状气流而改变方向,以维持室内或某一工作区域内一定的气象条件, 也可以阻挡灰尘和有害气体的侵入。 111 空气幕用途及分类 空气幕按应用范围可分为工业射流空气幕和大门空气幕哆j ;按空气加 热和冷却处理方式不同,可分为热空气幕和冷空气幕。在实际生产和生活 中空气幕的应用非常广泛,一般分为以下三大类: 1 、大门空气幕:是一种门洞隔绝空气幕。有些建筑物由于各种原因大 门不能关闭。为了减少室内外空气通过敞开的大门发生交流,常常采用大 门空气幕。大门空气幕可以防止室外冷热气流侵入,也可以防止余热及有 害气体扩散。例如人流较为密集的商场,影院,写字楼等的大门,需要有 运输工具不断进出的工业厂房的大门等,应设置空气幕。大门空气幕按送 风方式分为侧送式空气幕,下送式空气幕和上送式空气幕。侧送式空气幕 是把条缝形吹风口设在大门的侧面啦,设在一侧的称为单侧,在大门两侧 设吹风口的称为双侧。图1 1 是单侧侧送式空气幕,它适用于门洞不太宽、 物体通过时间短的大门。门洞较宽或物体通过的时间较长时( 如通过火车) , 可设双侧空气幕。双侧空气幕的两股气流相遇时,部分气流会相互抵消, 因此效果不如单侧好( 图卜2 是双侧空气幕) 。图1 3 是下送式空气幕,气 流由下部地下风道吹出,冬季阻挡室外冷风的效果比侧送式好。由于它采 用下部送风,送风射流会受到运输工具的阻挡,而且会把地面的灰尘吹起。 因此下送式空气幕仅适用于运输工具通过时间短,工作场地较为清洁的车 间。不过,目前欧美国家大量采用上送式空气幕,它们已有成套设备供应, 把贯流式风机直接装在大门上方,用室内再循环空气由上向下吹风,见图 1 4 。这种空气幕出口风速较低,用一层厚的缓慢流动的气流组成气幕,只 要射流出口动量相等,它们抵抗横向气流的能力和高速气幕是相同的。由 第一章绪论 于它m 口流遗低,出口动压损失小:气流运动过穰中卷入的周围空气少, 加热塞外冷空气所消耗的热踅也少,因此它的费用和运行费用都怒较低的。 用于生产车间的大门空气幕,其目的只是阻挡室外冷空气,通常只设 吹风口,不浚霭风日,证射流和遗籀接触螽自由商室内矫扩散,这种大门 空气幕称为简易空气幕。 在主要趱通过入的公共建筑大门一k ,设置上邀式空气幕。为了较好遗 组织气流,在大门上方设吹风口,地面设阐风口,空气缀过滤、加热等处 理螽循环镬溺。为了不使久有不舒邋熬吹嚣l i 感,送飙速度不宜超过6 s m s , 空气的相对漫度在6 0 6 5 之间较为合适。 罄1 - t 单铡铡送式窒气幕 匿1 - 2 双铡铡送式空气攀 图卜3 下送式空气幕 图1 4 上送式空气幕 伺固 第一章绪论 2 、防止有害气体散发的空气幕:有些场所在生产和生活过程中不可避 免的会产生有害气体,为防止有害气体进入操作人员所在区域而采用空气 幕进行隔离。例如在实际生活中已有带有空气幕的厨房吸油烟机,大大提 高了工作效率;又如在消防领域,为防止火灾发生后有毒的浓烟对人员的 伤害,在楼梯问或重要通道门口设立防烟空气幕,将有害气体和逃生通道 隔离,使人员获得更大的逃生机会。 3 、其他用途的空气幕:例如在有些实际工业生产过程中,为了保持某 一限定加工区域内的气象条件,隔离外界的灰尘,同时又要保持可观测性, 空气幕就作为目前最佳的设计方案应用到工业生产中来。 112 空气幕型号表示方法 热源类:代号见表1 1 安装形式:代号见表1 1 风机刹式:代号见表卜1 出口气流名义宽度:二位数1 0 0 m r n 叶轮外缘直径:二位数l o m m 产品名称:代号见表1 1 图1 5 空气幕型号表示方法 示例: f m15 0 9 一c 表示非加热空气幕,叶轮直径15 0 m m ,出口气流名义 宽度9 0 0 m m ,贯流式风机,垂直安装,热源为蒸汽。 r 一 口l i l l l 一 一 一 一 一 目iiill【il匕 第一章绪论 表1 1 空气幕代号 非加热空气幕f m 产品名称 加执牢气幕r m 水平安装 安装形式 垂直安装 c 热水 s 热源种类蒸汽 电 d 贯流式 风机型式离心式 l 轴流式 z 1 1 3 空气幕送风管道 空气幕均匀送风管道通常又三种形式卜io : 1 、改变条缝宽度,但管道截面不变; 2 、改变管道断面,但条缝宽度不变; 3 、条缝宽度以及管道断面都不变。 第一种虽然可以保证均匀送风,但沿条缝长度的出风速度不相等;第 二种不仅可以保证均匀送风,而且沿条缝长度的出风速度也相等;第三种 只能近似均匀送风。 1 2 国内外研究发展现状 多年以来,国内外的专家、学者及企业中的设计人员在提高空气幕的 效率、延长空气幕的寿命、简化空气幕的结构、空气幕送风均匀化等方面 做了大量的研究工作,在实际应用中,起到了定的效果。如贯流式空气 幕( 如图l 一6 ) 具有风速适当、风量可调并分布均匀、结构简单、体积小、 重量轻、不需任何热( 冷) 源、安装和维修方便等特点:b 型卧式空气幕 具有结构紧凑、体积小、热效率高、安装维修方便等特点;瑞典f r i c o 牌 空气幕系列在结构上也有很多优点。归纳起来,这些工作主要分为以传统 设计方法为基础的研究工作和采用参数优化设计理论为基础的研究工作两 个方面。 第一章绪论 表1 1 空气幕代号 斐垫垫至墨蔓 f m 产品名称 加热空气幕r m 水平安装 安装形式 垂直安装 c 热水 s 热源种类蒸汽 电 d 贯流式 风机型式离心式 l 轴流式z 11 3 空气幕送风管道 空气幕均匀送风管道通常又三种形式1 7 1o i : 1 、改变条缝宽度,但管道截面不变; 2 、改变管道断面,但条缝宽度不变; 3 、条缝宽度咀及管道断面都不变。 第一种虽然可以保证均匀送风,但沿条缝长度的出风速度不相等;第 二种不仅可以保证均匀送风,而且沿条缝长度的出风速度也相等;第三种 只能近似均匀送风。 1 2 国内外研究发展现状 多年以来,国内外的专家、学者及企业中的设计人员在提高空气幕的 效率、延长空气幕的寿命、简化空气幕的结构、空气幕送风均匀化等方面 做了大量的研究工作,在实际应用中,起到了一定的效果。如贯流式空气 幕( 如图1 6 ) 具有风速适当、风量可调并分布均匀、结构简单、体稍小、 重量轻、不需任何热( 冷) 源、安装和维修方便等特点:b 型卧式空气幕 具有结构紧凑、体积小、热效率高、安装维修方便等特点;瑞典f i i c o 牌 空气幕系列在结构上也有很多优点。归纳起来,这些工作主要分为以传统 设计 法为基础的研笼工作和采用参数优化设计理论为基础的研究工作两 设汁方法为基础的研究工作和采用参数优化设计理论为基础的研究工作两 个方面。 第一章绪论 表1 1 空气幕代号 非加热空气幕f m 产品名称 加执牢气幕r m 水平安装 安装形式 垂直安装 c 热水 s 热源种类蒸汽 电 d 贯流式 风机型式离心式 l 轴流式 z 1 1 3 空气幕送风管道 空气幕均匀送风管道通常又三种形式卜io : 1 、改变条缝宽度,但管道截面不变; 2 、改变管道断面,但条缝宽度不变; 3 、条缝宽度以及管道断面都不变。 第一种虽然可以保证均匀送风,但沿条缝长度的出风速度不相等;第 二种不仅可以保证均匀送风,而且沿条缝长度的出风速度也相等;第三种 只能近似均匀送风。 1 2 国内外研究发展现状 多年以来,国内外的专家、学者及企业中的设计人员在提高空气幕的 效率、延长空气幕的寿命、简化空气幕的结构、空气幕送风均匀化等方面 做了大量的研究工作,在实际应用中,起到了定的效果。如贯流式空气 幕( 如图l 一6 ) 具有风速适当、风量可调并分布均匀、结构简单、体积小、 重量轻、不需任何热( 冷) 源、安装和维修方便等特点:b 型卧式空气幕 具有结构紧凑、体积小、热效率高、安装维修方便等特点;瑞典f r i c o 牌 空气幕系列在结构上也有很多优点。归纳起来,这些工作主要分为以传统 设计方法为基础的研究工作和采用参数优化设计理论为基础的研究工作两 个方面。 第一章绪论 图1 6 贯流式空气幕 121 以传统设计方法为基础的研究工作 以空气幕均匀送风为主的研究,对关键部分做结构调整,从局部到整 体性能的优化提高。这种思路秉承传统常规的设计思路,通过对现有资料 的分析,这方面的研究大体可概括为以下几点: 1 、对空气幕的计算方法的研究 目前国内各种专著和设计手册中的常用空气幕设计计算方法主要有4 种 ”i ,即以自然通风理论为基础的计算法、气流流场叠加理论为基础的计 算法、气流动量方程为基础的计算法或称最小弯曲模量法、实验数据法。 1 9 9 9 年a s h r a e 手册中采用的计算方法一一一总压差计算法与前4 种方法均 不同,目前尚未用于国内。 2 、送风管道的送风均匀程度的研究 如前所述,空气幕设计最主要的目的是达到均匀送风。最典型的是对 “等宽条缝变截面均匀送风管道”和“变条缝均匀送风管道”两种送风管 道的研究。 在保证空气出口流量均匀的前提下,等宽条缝变截面均匀送风管道是 静压复得法原理在空气幕送风管道中的具体体现。即在每处管内流量减小 后利用复得的静压来克服下段的风道阻力,达到均匀送风的目的;而变 条缝均匀送风管道是在管道截面不变的条件下改变风口的条缝宽度,来保 证每一处的出风量相同。 对于“等宽条缝变截面均匀送风管道”,许多学者都是利用静压复得法 原理对空气幕的工作特点、参数等进行了全面的分析。这种空气幕的设计 思想比以前有了很大的进步,对送风量9 0 、每一处的管道截面高度n ,、管 第一章绪论 内风速1 , v 。、静压力p 。等参数之间的关系都有了非常系统的表达。这个研究 成果目前已经成为比较完褥的空气幕设计理论之。等宽条缝变截面均匀 送风管邀一般用于高速送风( 风速达到15 2 0 m s ) l7 l ,在高速送风条件下, 它裁有效楚镶涯送最静均匀程凄。 “变条缝均匀送风管道的设计理论是在傈证出口流量均匀和送风管道 截面不麓的条件下对空气幕的参数进行系统的分析,也对送风嫩q 、静压 力p ,、出e 1 条缝宽度d ,等参数之间的关系也有了非常系统的表达,也成为 比较究蒋的空气幕设计理论之一。变条缝均匀送风管道虽然能保证出口流 量处处鞠等,但每一楚豹i 羹风速度不稳等,戈其是在奁速送风条 譬下,速 度辍不均匀,管内静压谗有很大变纯,所以这静送风管道一般鞠予对速凄 要求不严格或低速送风的场合。虽然在风遵均匀程度上不及锷宽条缝变截 面均匀送风管道,但由于它的管道内局部阻力较小,所以它目前仍是常用 空气幕遴风管道之一。 3 、x 重基本参数款确定方法 空气幕送风警道静计箨方法有了改邈,对予绘定静一组参数,都麓准 确地计算出在该组参数下的各个工作数据;佩对空气幕基本参数,尤其是 一些可以在一定范围内变化的参数的确定却没有系统有效的方法。通常都 是在观察原有空气幕各种潦现的基础上,通过类比的方法,对原有空气幕 弱某个藏几个参数进行一魑小的改进,便投入生产。 1 2 2 采用参数优化设计理论为基础的磷究工作 近年来f 3 “,市场上已有将风机、加热器和空气分布器合丽为的整体 装配式空气幕和贯流式风幕,这种整体式空气幕的生产已经愆溅化,它使 褥设计、安装大为减化。憾是,有些使用攀使在选用空气幕时,只是按照 太门鹣尺寸寒选择,襞不校薇所需要戆热鬟秘窭鼹滠度,瞧不狡棱爱需要 的风藜风量和出口风速怒甭满足使用要求,只是按外形尺寸选择空气幕产 品。这样势必会出现两个问题:要么喷口风凝和热量过大,造成能量的浪 费;要么所选的空气幕不能满足所需要的热檄和风量,造成空气幕效率低, 阻挡室外空气进入室内的效果不好,以致影响室忐正常的工作环壤。此外 传统黪空气蓦均匀送菇繁邋诗算方法中诲多参数耱选定都蔗依靠经验瞌, 这静计算的不合理性往往造成与实际应嗣的误差较大。困魏对空气幕均匀 送风管道设计计算的研究具有重大的意义。 优化设计是6 0 年代发展起来的一门新的学科。这种设计方法是数学规 第一章绪论 划与现代电子计算机技术相结合的产物。对于一种工程设计问题可能有许 多种解决方案,如何确定最优方案,实现设计参数的最优化怒优化设计要 解决的主要闻题。 茏佬设计依据傀纯遴论躺不嗣分为数学援剜法帮准刭法。鼗学蔑巅法 以严格的数学规划理论为基础,保证结果收敛到问题的最优点。其算法平 稳,成熟,但迭代次数多,收敛时间长,对于大型复杂的设计问题,有一 定的缺陷。但近年来计算机硬件技术和各种应用软件的发展速度相当快, 以前许多受计算速度和容爨约束的闯题现在受到的限制越来越少。准则法 是觚一些基本壤念整发,建立一些雄弱及滚是这些准翻载可搀方案,嚣疆 伍或近似最优方案。与前一方法租比缺乏严格的数学理论依攒,有时还需 要凭巍觉做近似处理,结果比较粗糙。但这种方法能较快地得出优化结果, 往往用于较复杂地工程设计问题,然而其应用受到限制,目前一般用作工 程结构体积最小或质量墩辍的优化设计。 缀攥占煮赘资料,瓣蠹、矮在空气蒡後伲方覆畜一些磋究先钢。只是 通过建立起空气幕的材料成本和年漕耗静数学模型,霜数学静方法求褥使 这个函数取得最小值的邀风量和管道宽殿、高度等参数值 ”。但对空气幕 作性能、参数优化设计的却很少,只有一般如何求解最佳风速等参数的 些思路。本课题以这种思路为基础,研究空气幕的优化设计问题。 。2 3 空气慕薅窦设诗鞭究 各科学领域中仿真技术随计算机的快速发展而快速发展,但是将两者 结合起来的对空气幕的仿真研究工作却很少。即使有,也只是定性描述一 些焚化曲线,基本没有完憨的仿真设计。 ,3 课题主要研究内容 本课题以多目标最优化理论为基础,制用m a t l a b 的强大计算和图表处 理能力编写程序,充分利用现有的计算机硬件及软件,对空气幕的诸参数 进行优化,使空气幕的设计在参数允许的范围内把诸重要的设能指标提到 最菇;撼已经确定熬参数转伲为具俸的空气纂立体模型,即参数优设诗夔 仿真实现,著骰蜀程序静最终实现。 1 3 1 参数优化设计 在实际应用中,不同的场合对空气辫性能要求各有侧整。有的侧重于 劳营磐越 低成本,有的侧重于低消耗,有的侧重予商性能、赢可靠性。 l 、本谦题分荆对“等宽条缝嶷截面均匀送风管道”和“变舔缝均匀送 风管道”的物理模型进行全面分孝斤,建立空气幕的物理模型,为空气幕的 优化设计做好物理模型准餐。 2 、将已经建立的物理模型转化为数学模型:为每种空气幕构造一个多 强标函数的优纯设计模型。基于以上分拼,分剐以空气幕用料懿、风概功 率、空气出口速度为三个目标函数,而且对应三个目标函数取不同的系数, 并采爝线性鸯秘权的方法来稿造个统一的目标函数,对这个统一的嗣栎函 数进行优化。主要工作包括以下几个方面: 1 ) 确定设诗交餐,郄寻我对上述莓栎函数影响最大豹空气藜参鼗缀成 的变向量; 2 菝搭不弱静设计嚣标,磷迩各个蘑标函数酌表达式; 3 ) 确定优化设计应满足的最低条件,即约柬函数; 4 ) 较攒已确定匏分鏊标丞数镶定蕊纯设诗静数学模塑,以线缝蕊较翡 方式找出统一的单目标函数; 5 ) 选撵一耪最谯讫方法,寻找最甓瓣; 6 ) 在m a t l a b 环境下编制优化设计程序。 1 3 2 参数优化设计的仿真实现 鼹优化蜃鲍参数,对空气纂慕惩参数优化及傍真设计。在定计箨辍 系统支持下,对真实空气幕的工作过程、目标函数随主骚参数的变化情况 有一个毙较囊观的了解。如果对设计结基不潢意,可默剩题其参数他的性 能修改参数,观察分析新的设计效果,直至满意。 第二章优化设计方法和空气流动的嫠本理论 第二章优化设计方法和空气流动的基本理论 2 1优化设计方法的慕本理论 2 1 。1 工穰优化设计理论概述 l 、工稳往纯设计壤述 一般工程设计问题都有多种可行的设计方棠。如何根据设计任务和要 求,扶众多霹行方褰中,寻求一个矮葑静方案,即最优方寨,是设计卷的 首要任务。要完成这样一个繁重的任务,必须掌握可靠的先进设计方法。 长期以来,大多数设计砉仍淤躅经验粪啦设诗方法。这癸传统设诗方 法的设计过程可概述如下:首先根据设计任务及要求进行调查研究和搜集 有关资料,参照已完成的勰同或类 羰任务帮现有的较为成熟鲮疑诗方案, 凭借设计者的经验,辅以必要的分析计冀,确定一个合适的设计方案,并 通过信算,视步确定有关设计参数;然麓对初步方案进行必要的分提及校 核计算;如果某些设计要求得不到满足,则可进行设计方案的修改,设计 参数的调整,并再次进行分析及校核计算,如此多次反复,赢到获褥满 意的设计方案为止。也就楚说,传统的谈计方法要通过多次反复地“设计 一一分析再设计”的过程,才可能得到一个较为满意的设计方案【3 5 l 。 显然,这个设计过程是人工试凑与类比分祈的过程,不仅需要花费较多的 设计时问,增长设计周期,而且只限于在少数几个候选方案中进行分折比 较。所以,这种设计方法掇然也有可能获得较好豹方案,但是由于设计过 程缺乏严格的、科学的定燃分析计算,一般很难得到近乎摄优的设计方案, 特荆是对予彭镝因索很多豹复杂设计闷越,更怒如此。为诧,寻求薪的设 计理论和设计方法成为一项迫切的任务。 随着毫子诗箕孛晁技术豹发展与应灞,2 0 毽缀5 0 年代发栽起来酌畈线 性规划与非线性规划为主臻内容的新的数学分支一一数学规划被应用于解 决王程设计润蘧,形藏了工程设计煞薪毽论和新方法,邸工程饶纯设计理 沦与方法。 优纯浚诗亦稔最饶纯设计,它是臣数学援翊理论为蓥硝,以遣子诗算 机为辅助工具的一种设计方法。近2 0 年优化设计在理论和应用上都得到了 壤大发展,已成为工监赛豹一项先遴弱、著褥裂广泛经霜豹设计方法。实 践证明,优化技术可明显地提高设计质缀及效率,为进一步改进没计方法 第= 章饯化没计方法和空气流动的蒸本理论 提供了可行的手段。 优化设计理论和方法用于工程设计始于6 0 年代后期,国内则从7 0 年 代中期才开展有关研究。发展历史虽然不长,但由于数学规划理论日热成 熟,计算机技术的籀速发腿与普及,优化设计理论、方法在飞机、汽车、 船舶、机床、起重运输机械等领域内得到r 广泛的应用,取得了显著的技 术突破和经济效暴。据有关资辩介绍,机电产品的优化设计眈传统莳设计 可以节省很多材料 3 6 i 。2 0 余年的工程优化设计理论与方法的研究与实践, 使传统静工程设计。方法发生了根本性交革,腻丽把经验的、感性的、类毙 的、传统设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。 特麓是近年来,疆骜有限元素法、可靠性设计、计算机辘动设诗( c a d ) 的理 沧与方法的发展及与优化设计方法的结合应用,使整个工程设计过程逐步 囱鸯动仡、集或纯、智麓纯发展。 对工程问题进行优化设计,本质上魁根据优化设计理论,采用优化设 诗算法,运蠲诗算税离矮_ 爨、毫效率蘧完或设计任务。为诧,蓠先要把工 程设计问题转化为数学模型,即用数学袭达式描述工程设计问题;然后, 按照数学模型豹特点选择惚诧设诗方法及其计算程序,运雳诗簿撬戋褥最 优解,即最优设计方案。因此,工程优化设计包括建立数学模溅和运用优 纯方法求鼹这琵个方嚣熬纛要内容。 2 、优化设计的数学模型 工程优化设诗数学模溅是优化设计超蘧的数学表达式,它反获了l 茏诧 设计中各主臻因素间的内在联系。这一联系的正确反映,即从工程实际问 题中撼象出正确的数学模溅,是王程优化设计成败的关键,也是工程设计 者进行优化设计时所要完成的主舞任务。优化设计的数学模型通常包含设 计变量、目标函数浮b 约束袈 牛三个基本要素。 由设计变量、弱标函数和约寐条件三个基本要素所组成的工程优化设 计数学模型所表达的意思是:在满足一定的约束条件下,寻求一组设计变 量值,使得舀标函数达到极小值( 极大值) 。 设工程优化设计问题为n 维优化设计问题,即 x = 【x ,x 2 ,”x x n 7 并禽有m 个不等式约束,p ”个等式约束,则可将目标函数极小化的优化 问题写成下述标准形式 第二章优化设计方法和空气流动的基本理论 m l i l ( x ) x r “ s g 。( x ) 0 = 1 , 2 ,) h 。( x ) = 0 ( v = 1 , 2 ,p ”) 式中m i n f ( x ) 表示目标函数f ( x ) 的极小化:x r ”表示设计向量z 属于n 维 实欧氏空间r ”,即设计空间;g 。( x ) 0 = 1 , 2 ,m ) 表示由m 个不等式 约束方程;h 。( x ) = 0 ( v = 1 , 2 ,p 0 日口f ( x ) f ( x4 ) 所以x 点必定是,( x ) 的一个极小点。这搀裁褥到冀充分祭释药: w ( x + ) = 0 和矩降h 为正定。 2 1 有约荣问题最优解的必要充分条件 a 受等式约束的多元函数优化一拉格朗目浆予法 研究的问题是: m i n ,( x )x = ( x l ,x 2 ,x 。) 2 s f 缈( x ) = 0j = 1 , 2 ,m m n 1 7 6 0 年控格朗强首先提出褥这秘条串极毽闽题变鸯等价的无绞索檄 值问题求觯。对每一个约束 ,( x ) = 0 引入个代定的拉格朗曰桑予五,鼹 为a ,( x ) = 0 ,敞五,可正可负,对阀题的实质无关,并构造撞撂朗熙函数: 互( 马;,( x ) 十z j h j ( x ) d = t 公式( 2 1 ) 其极值点该满足下列的必要条件: 第二章优化设计方法和空气流动的基本理论 乩 敏。 a l o a , i = 1 , 2 , j = 1 , 2 ,m 解上述方程组,可得m + 月个未知数的值,其中”个变量、。z 、,、“, 肌个拉格朗日乘子 、如、厶。可见拉格朗日法的维数比原问题的 维数更高,因此原问题去掉等式约束的代价是一个维数比原问题维数高m 的优化问题。 b 受不等式约束的多元函数优化研究的问题 r a i n f ( x ) x = ( x 1 ,x 2 ,x 。) 7 j t g ,( x ) o j = 1 , 2 ,珊 m 0 如果g j ( x + ) = 0 公式( 2 7 ) 五,。= 0如果g ,0 4 ) 0 公式( 2 - 8 ) 如果g i ( x ) = 0 ,说明x 落在第j 号的约束上,这种约束称为有效约束, 由公式( 2 7 ) 可见,硅乇时穗应的拉格朗基菜子应为受。 如果g ,( x + ) 0 ) ,有: 厂( x + s ) 厂( x ( ) 如果函数( x ) 在x 。点是一次可微的,则对足够小的“,则有: f ( x 。+ 硝2 s ) 一f ( x ) = 硝。v 7 厂( x ( ) s ( 2 ) 因此目标函数有所下降的要求也可以写成: v 7 f ( x 。) s o 或一v 7 厂( x ( ) s 0 这一式子说明探索方向应该与目标函数负梯度方向的夹角小于9 0 度, 这个方向称为下山方向。 当探索方向决定后,步长的决定方式一般是使目标函数在x 点上 沿s ( 。方向达到最小,即要求: f ( x 。+ s 。) = r a i n f ( x 2 + 2 s ) 也就是说要求以丑为变量的一元函数极值问题,即维搜索问题。 如果决定刀”时,必须满足 f 。( 兄) = f ( x 1 + 丑s “1 ) = 0 于是争w 堕o x , + 胚) 刍( z ,+ 船,) = o 即v7 f ( x + s 博= 0 说明第k 次迭代的探索方向与这次迭代所达到的点x “1 = x + a s 的目 标函数梯度正交,亦即第k 次的探索方向s ”应与目标函数等值面在x “1 处 相切。 在算法上应具有收敛性,即产生的极小系列具有这样的性质:或者序 列中的某一点本身就是极小点;或者序列中有一个极限,它是目标函数的 极小点。收敛的准则一般有以下几种: 1 ) 当相邻两个迭代点的移距己达到充分小时,即 州”9 毛或、窆州_ 2 ) 当函数下降量己达到充分小时,即 第二搴慌纯疆诗方法帮空气流动匏基本理论 i f ( x k | _ n ) 一,( zc ,) s 。或l ! ! 掣c s , 3 ) 当目标函数梯魔已达到充分小时,鄹 l i v j - ( x 强) l & 式中岛、f :、乇和s 。分剐农示极小的正数,其值根据问题的实际要求而定。 综上所述,迭代法可归纳为四个步骤: 1 ) 选择初始点x ( o ) ,使之尽可能靠近墩优解。 2 ) 烟已算出x ( “,虽x 不是最饯解,选一个搜索方囱s ( “,使沿s ( ) 方淘茨弱标函数,( x ) 之馕怒下降秘。 3 ) 搜索方向s 球确定后,在射线l x 隹) + a s ( | 上选取步长,使 f x 十嬲。 f ( x “) ,如此确定下一个点“= 0 2 1 + 搿s “。 4 1 检验所得的新点x 似“是否满足收敛凇则。如果收敛准则得到满足, x ( “就可以 乍为近似局郝极小点,迭代过程中止;否则,以x ( “搏为薪携 初戆患远骰缝续麸骜b ) 步秀始重薮这代诗冀。 2 1 3 优化设计的基本方法 l 、无约束优化方法 工程优化问题几乎都婕有约束的,一类约束优化方法的蒸本策略是将 约寒撬豫嗣瑟转纯为无终窳饶位楚题求熬蠡冬;还煮一类绞索傥纯方法豹繁 略是泉源予无约束优化方法的。因而可以认为,无约束优化方法是约束优 化方法的基础。所以,无约束优化方法在工程优化设计中有十分重要的作 用。 藩函数厂0 ) 为一元函数,则求解问题的无约束优化方法,称之为一维 疆素方法。工程傀伲涵趱中熬强稼蚕数为元交数弱l 主况并不多觅,霪一 维搜褰方法是优化方法的基硝。一维搜索方法是优纯方法酾熬磷。一维搜 索方法主要有:分数法、0 6 1 8 法( 黄金分割法) 、二次插值法和三次插值 法。 多元函数的无约束优化方法,可按其确定搜索方向所使用的信息和方 法翁不嗣分为薅大类。一类方法是霰要裂翻溪数夔一除编导数恭至二玲编 导数擒逡搜索方向,翔肇缝形法、梯度法、牛顿法、交尺度法稍共辘搽度 法等。由于需要计算偏释数,这类方法计算摄大,但收敛快,一般称之为 解析法。另一类方法是仪利用迭代点的函数值,对于无法求姆或求导困难 的函数,这类方法就有突出的优越性,但怒旗收敛速度较惶,一般称之为 第二睾优化设亡 。方法彝l 空气滚动的熬本理论 直接法。 2 、约束优化方法 工程优化设谜“润题绝大多数属于约柬非线性觌划问题,本课题所设讨 的优化问题也属于飙型的约束非线性规划问题,这类问题数学模型的一般 表达式为: m i n f ( x ) s ,f ,h ,0 ) = 0( f = 1 , 2 ,m ) g ,( x ) 0 ( f = m + l ,瓒+ 2 ,p ) 其中,歹( x x 忽( 岭,g 。( x ) 都假定具有连续德嚣数。 求解这类问题的方法称为约束优化方法。般根据对约束条件处理方 法不网,可以将它分为薅类:其一是直接从可行域中寻找出它的约束最侥 解,称之为约束优化问题的直接求解;其二是将复杂的约束优化问题转化 为系列简单的容易解决的子问题,用这一系列子问题的解逼避原问题的 解,称之为约束优化问题的间接解法。 网络法、随机实验法及复合形法属于囊接解法。这类方法的优点是: 算法简单,窟观性强,对函数无将殊要求;其缺点是:计算量大,收敛慢, 因而效率低。这类方法只邋用于维数低、函数复杂、要求精度不商的问题; 雨对于维数较高的问题,则因计算时闻麓维数增高丽蕊长摄多,故这类算 法就不适用了。 闽接解法酌耱炎较多,其中广义篱约撵菠浚、广义乘子法以及序列二二 次规划算法普遍被认为是解决非线性规划问题的最优秀的计算方法。对于 本文所涉及的 芄纯润题,选矮了簸磅秘鞫乘子法来解决,褥到了瑾慧熬谠 化结果。 拉疆涵鑫乘孑法是耱薅约窳润题傀为无终家润熬鹃经纯方法,它遗 过引入一些称为乘予的待定系数,把原有的约荣与这些乘子相结合,并添 据刭覆基掾函数中去,穆成一个无绞寒戆薪疆稔函数,麓基拣璐数戆无约 束最优解就是原约束问题的最优解。最优化方法的许多近代结果都可以看 残楚这秘方法的携广。 2 2 空气流动的基本理论 2 2 1 基本方程 把流动的空气视为遥续流体,其流幼规律同样遵彳瞒流体力学的一般规 第二章伉纯设诗方法郓空气流端懿萋本理埝 律。因空气在管道内流动和经分布器排出时,其流速较当地声速f 一般在 3 4 0 m s 左右) 要小得多,所以可以视空气为不可压缩流体,空气流动的基 本方程仍是流体力学中的连续性方程、能爨方程和动能量方稷。 l 、连续性方程: v i a ;= v 2 a 2 公式( 2 - 9 ) q = v a 或v :墨 艘 2 、能量方程: 毛+ 照+ 墨;。2 + 旦! 叶墨坠+ y2 9, 2 9 屡流:癌 = 2 ; 紊流: 掰2 = 1 0 5 l 。l o 通风工程空气流动都属于紊流。 3 、动量方程: 作用在流体上的冲量等于流体动量的变化,即 z f d t = 藤= d ( 3 , f f 、 稳定流动豹动量方程式: 尹= 明p :一再) 公式( 2 - 1 1 ) 2 。2 2 管道的沿程隧力 l 、层流浍程阻力 鼷流是指管内流体质点只有轴向直线运动。圆管内流体在层流运动时, 根据牛顿内摩擦定律粘性阻力为: d u 弘万 嗣管内层流沿程戳力: 矗。:3 2 v。 埘一 从理论上讲 ,与”成线性关系。上式又可写成 h:坐立一一r l 6 4lv 2 + p v dd2 9 r ed2 9 公式( 2 1 3 ) 公式( 2 一1 4 ) = r 6 4 e 称为沿程阻力系数,沿程阻力系数仅是雷诺数的函数。 第二章优化设计方法和空气流幼的基本理论 港稷压力损失 印= z 丢西v 2 一芦2 置吉譬 公式( 2 一i ) 2 、紊瀛运动将往 豢漉运动时,滚 奉矮点除了浍辘囊蠢懿运动终,还鸯经国潋无援篓蓦弱 相互混掺方式的流动。綮流除黏傲阻力外,还有混掺所产生的混掺阻力。 紊流运渤理论阻力理论式如下 州e t 考饼忙。卜万埘飞石 鼷流运动中,由于无径向混掺运动, d u f o “- 一一 。咖 紊流运动中,如果雷诺数比较大 公式 2 - i 回中第一顼可忽貉不计。巍 r = 矽 公式( 2 一1 6 ) 公式( 2 - 1 6 ) 中第二颈为零。则 公式( 2 一1 7 ) 此时混掺阻力比黏性阻力大得多, 公式( 2 一1 8 ) 如果雷诺数比较小,这时,黏性阻力和混掺阻力都要考虑。根据实验 掰究,可近似写蔽五= o ,4 y ,代入公式( 2 一1 8 ) 式鼹: 一媳幻2 壹:巨上 方1 p0 4 y “:江。坐十s yp 0 4 y = t 5 时,瓤= 鲜。t 积分常数。= ”一一j 考,百l n 了r o 代入褥“。牛:5 j ,n 毒 公式( 2 - 1 9 ) 公式( 2 - 2 0 ) 公式( 2 - 2 1 ) 公式( 2 2 2 ) 用管壁处的# 。代替。,剐得素流运动的速度分布方程式: m a x + 2 5 伊唼 蛾。嘲, 可见,紊流运动的速度分布服从对数规律。 第二章挽纯设计方法和空气漉确躬基本理论 3 、紊流沿程阻力计尊 由于紊流运动的复杂饿,紊流的沿程阻力系数五,至今仍不
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 烟台新兴产业合作协议书
- 苏州危化品运输合同范本
- 村委会签的安置合同协议
- 烟草公司毕业协议书范本
- 涂料机低价转让合同范本
- 股权投资扩股增资协议书
- 材料合同变更要补充协议
- 环卫一体化安装合同范本
- 电子版权合同及购买协议
- 瓷砖仓库合同协议书范本
- 光伏发电建设项目二级安全教育培训考试试卷(附答案)
- CNAS实验室认可流程
- 竣工工程安全评估报告
- 叉车司机证考试题库(含各题型)
- 房屋永久居住权协议书(2篇)
- 《问诊与体格检查》课件
- CNAS-RL01:2019实验室认可规则
- 优创数据测评题答案
- 品管圈PDCA获奖案例-提高压疮高危患者预防措施落实率医院品质管理成果汇报
- 体育赛事策划与管理全套课件
- 热射病个案护理查房
评论
0/150
提交评论