一种交错式蛇形防堵塞换热板的设计方法与流程

本发明涉及换热板，特别涉及一种交错式蛇形防堵塞换热板的设计方法。

背景技术：

1、相变微胶囊悬浮液作为一种高效潜热型换热流体，在动力电池热管理、高密度电子设备散热、中央空调蓄能制冷、工业中低温余热回收等节能换热领域应用愈发广泛。该类流体将相变储能微胶囊颗粒均匀分散于基液中，依靠颗粒固液相变过程吸收或释放潜热，具备温度波动小、等效比热容大、热承载能力强等优势，在换热过程中可维持近恒温传热特性，综合换热效率远优于传统纯水、乙二醇等单相水冷介质，已成为高端热控系统的核心换热工质。

2、将相变微胶囊悬浮液应用在常规蛇形流道换热板实际工况下，仍存在以下固有缺陷：1）传统蛇形换热流道多采用平直等宽结构配合直角拐角布局，流体流经直角拐角时流向发生急剧突变，流道内侧流速快速衰减，极易形成大范围低速滞留区，流道外侧伴随明显回流漩涡与二次环流结构，流场均匀性差；2）相变微胶囊颗粒与液相基液存在一定密度差、粒径离散性及表面粘附特性，在低速滞留区域受重力、曳力、惯性力耦合作用，极易发生颗粒沉降、壁面吸附及拐角局部堆积，长期连续运行下沉积层逐步增厚，造成流道有效通流截面持续缩窄；3）流道拐角一旦出现颗粒堆积堵塞，会直接引发系统流量衰减、进出口压降升高、循环泵能耗增大，同时换热板有效换热面积被覆盖、热阻上升，造成整体换热性能大幅衰减，易诱发电池局部热失控、电子器件高温降频等隐患，严重时还会扰动管路流态、冲击泵体运行稳定性，大幅缩短整套换热设备的服役寿命。

3、目前行业为解决拐角堵塞问题，已出现部分变截面流道优化方案，但现有改进方式多采用整体缩径、局部节流凸起、分段变宽等被动结构设计，普遍存在明显局限性：一是额外增设收缩构件导致流道结构繁杂、模具成型难度大、机械加工成本偏高，不利于规模化量产；二是人为局部截面突变易引发额外局部阻力损失，造成系统压降激增、循环能耗上升，经济性不佳；三是现有变截面方案仅做局部尺寸调整，未从流道整体排布逻辑入手，无法通过直段交错错位形成自然渐缩加速流道，不能从流场机理层面削弱拐角低速死区，难以针对性破解相变微胶囊悬浮液易沉降、易附着、易堵拐角的行业痛点。

4、因此，针对相变微胶囊悬浮液固液两相流动特性，提供能够设计出结构简单、无需额外节流构件、依靠流道交错布局实现自然缩口加速，可从源头抑制颗粒沉积、适配工程加工制造的新型蛇形换热板结构的方法十分重要。

技术实现思路

1、本发明实施例提供一种交错式蛇形防堵塞换热板的设计方法，以解决相关技术中现有传统蛇形换热板直角拐角易产生流动死区、微胶囊颗粒易沉降堆积引发流道堵塞，以及传统设计依赖经验试凑、参数无量化标准、仿真迭代效率低、多性能目标难以协同兼顾的缺陷。

2、第一方面，本发明提供了一种交错式蛇形防堵塞换热板的设计方法，包括以下步骤：

3、s101，根据换热板的结构设计要素确定交错式蛇形防堵塞换热板的几何参数集合，依据流道加工工艺、流通截面限制及系统压降限定条件，对各几何参数进行边界约束，构建可行参数空间；

4、s102，在所述可行参数空间内采用正交试验采样生成多组初始几何参数组合；

5、s103，建立相变微胶囊悬浮液固液两相流 cfd 仿真模型，对每组几何参数组合进行流场与换热耦合仿真，提取拐角平均流速、进出口压降及换热板平均综合换热系数性能指标，构建初始样本数据集；

6、s104，基于初始样本数据集训练高斯过程回归代理模型，采用多目标遗传算法在参数空间内开展全局寻优，筛选最优候选参数组合；

7、s105，循环迭代执行采样、建模、寻优与仿真验证步骤，直至满足迭代条件中的任一条件；

8、s106，迭代结束后从最终样本集中选取综合性能最优的参数组合，该参数组合即为换热板的结构设计参数。

9、一些实施例中，所述几何参数集合为{b，h，r，w，α}，其中，b为流道直段宽度，h为流道内部高度，r为转弯段圆角半径，w为相邻直段横向错位宽度，α为流道交错倾斜角度。

10、一些实施例中，边界约束具体包括： 0.5b≤r≤b，0.5b≤w≤0.75b，5°≤α≤25°，相邻流道之间最小壁厚不小于1.5mm，渐变缩口处最小等效流通宽度不小于0.25b，且优化结构相对于同等尺寸传统蛇形流道的进出口总压降增幅不大于15%。

11、一些实施例中，所述高斯过程回归代理模型采用协方差核函数构建，对输入几何参数与输出性能指标进行归一化预处理，并采用交叉验证方式完成模型精度校验，满足流道流动与换热性能的工程预测要求。

12、一些实施例中，步骤s104中，所述高斯过程回归代理模型以x=[α,w,r]为输入，以y=[v,δp,k]为输出，其中v为拐角平均流速，δp为流道进出口总压降，k为换热板平均综合换热系数；满足f(x)～gp(m(x),k(x,x′))，m(x)为均值函数，即函数的先验平均水平，x表示一组样本，x’表示另一组样本，观测关系为y=f(x)+ε，ε～n(0,σn²)，σn²为信号方差，采用平方指数核函数k(x,x′)=σf²exp[-1/2·(x-x′)ᵀλ⁻¹(x-x′)]构建gpr模型，其中σf²为信号方差，λ为长度尺度矩阵，通过μ(x*)=k*ᵀ(k+σn²i)⁻¹y和σ²(x*)=k(x*,x*)-k*ᵀ(k+σn²i)⁻¹k*分别输出预测均值和预测不确定度，i为单位矩阵，x*为预测参数。将候选参数组合代入cfd仿真模型进行仿真验证，并将验证结果纳入样本集，动态更新代理模型。

13、一些实施例中，采用多目标遗传算法在参数空间内开展全局寻优的具体过程为：分别以最大化拐角平均流速、最大化换热板平均综合换热系数、最小化流道进出口总压降为子优化目标，构建多目标综合评价函数，评价函数的表达式为f(x)=w1·v(x)/v0+w2·k(x)/k0-w3·δp(x)/δp0，其中x=[α,w,r]，v (x)为拐角平均流速，k(x)为换热板平均综合换热系数，δp(x)为流道进出口总压降，v0、k0、δp0分别为传统平直直角蛇形流道基准值，w1为防堵权重系数，w2为换热权重系数，w3为低压降权重系数，且w1+w2+w3=1；各子目标权重可依据不同换热应用场景自适应调配；利用评价函数在预设约束区间内进行全局寻优，得到适配相变微胶囊悬浮液防堵、低压降工况的流道交错倾斜角度的合理取值区间。

14、一些实施例中，所述迭代条件包括以下条件中的任一种：（1）换热防堵及流动压降性能达到预设设计阈值，所述预设设计阈值包括：拐角平均流速较传统平直直角蛇形流道提高不低于15%，换热板平均综合换热系数提高不低于10%，流道进出口总压降增幅不高于15%；（2）连续3轮迭代中，多目标综合评价函数f(x)的相对提升量均小于1%；（3）仿真计算次数达到预设迭代上限，所述预设迭代上限为cfd验证仿真次数不超过60次，或多目标遗传算法迭代代数不超过120代。

15、一些实施例中，当迭代仿真次数达到预设上限时，若代理模型对最优参数组合的预测方差超出设定阈值，则自动启动增量样本仿真补充验证，更新样本集与代理模型后重新筛选最优参数组合。

16、第二方面，本发明提供了利用上述设计方法设计的交错式蛇形防堵塞换热板，所述换热板包括基板及开设于基板表面的交错式蛇形流道；流道直段按优化后的交错角度与错位宽度排布，转弯段采用匹配圆角半径平滑过渡，流道截面等宽等高、内壁光滑，依靠交错错位形成自然渐缩缩口，提升拐角流速，抑制相变微胶囊颗粒沉降与流道堵塞。

17、第三方面，本发明提供了一种换热器，该换热器搭载至少一片上述交错式蛇形防堵塞换热板，换热器应用于动力电池热管理、电子设备散热、空调蓄能及工业余热回收相变微胶囊悬浮液换热场景。

18、本发明通过界定换热板关键几何参数，结合加工工艺与流动压降要求构建可行参数空间；采用正交采样建立样本集，依托固液两相流cfd耦合仿真提取多维度性能指标；引入高斯过程回归构建代理模型，耦合多目标遗传算法开展全局参数寻优；通过多重迭代终止条件与增量补充验证机制，求解适配工况的最优几何参数；依托交错错位形成自然渐变缩口配合圆角平滑过渡结构，从流场机理上弱化低速死区、提升壁面剪切冲刷能力，在可控压降增幅下实现防堵、低流阻与高换热协同优化，为相变微胶囊悬浮液专用蛇形换热板提供标准化、可复制的设计方案。

19、本发明提供的技术方案带来的有益效果包括：

20、1、本发明引入高斯过程回归代理模型替代海量cfd重复仿真，结合多目标遗传算法全局寻优，摆脱传统经验试凑与单点仿真迭代的局限，设计周期大幅缩减，参数匹配具备严谨量化依据，实现防堵、压降、换热多目标协同最优，克服传统设计的弊端；

21、2、本发明在设计前期进行加工工艺与流动压降双重约束，优化得到的几何参数均处在可制造、低能耗区间，结构无需复杂异形加工，常规板材冲压、模具刻槽即可成型，工艺适配性强，利于工业化批量生产；

22、3、本发明设计方法通用性强，仅需微调参数约束区间、仿真边界条件与目标权重，即可适配不同颗粒粒径、不同质量分数的相变微胶囊悬浮液，兼容动力电池、电子散热、余热回收多类场景，可形成行业标准化设计流程。