题目：基于分布参数的换热器设计与优化

换热器是广泛应用于航空航天、能源化工、汽车、电子等领域的一种通用设备，随着能源问题的日益突出，换热器更加趋向于高效性和紧凑性，由此也带来了很多新问题：如流动方向温差变大导致物性变化显著；伴有相变的传热过程；局部高热流密度条件下的散热等，这些都对传统设计方法提出了重大的挑战。本文建立了一种适用于上述复杂换热条件下的数值计算方法——分布参数模型，能够方便地考虑局部物性参数和热力边界的变化，而且计算效率非常高。应用该模型计算和分析了管内流动、紧凑式换热器和热沉－风机系统的换热性能，并进一步实现了基于分布参数的紧凑式换热器优化，以及热沉－风机系统的整体优化设计。论文的主要研究内容包括：（1） 以管内流动为研究对象，从一维问题出发阐述了分布参数模型的基本思想和基本要素。基于流动通道的网格划分方法不仅减少了网格数量，而且能够直接利用现有的经验关联式计算传热和阻力特性，可以很大程度上提高计算效率，这对后面三维分布参数模型的求解是至关重要的。基于焓参数的控制方程统一了相变和非相变情况下的计算，提高了模型的通用性。通过与其他研究者的结果对比验证了模型的正确性，并利用分布参数模型分析了理想气体、液体、湿空气等典型工质管内流动的传热和热力学特性。湿空气是其中的研究重点，揭示了伴有水的蒸发或水蒸汽冷凝的相变过程中焓、温度、含湿量、熵产等热力参数的变化特性，为今后深入研究相变传热奠定了基础。（2） 分别建立了叉流板翅式换热器的三维稳态和动态分布参数模型。模型利用冷热边的翅片间距和翅片高度共同确定三维模型的网格尺度，方便了翅片参数的计算。对复杂翅片构型通过拓扑处理，可以全部转化为类似矩形平直翅片的网格单元，并基于焓参数建立统一的控制方程，形成了一个适用于不同翅片和不同工况的通用三维模型。在此基础上，对板翅式换热器的稳态和动态性能进行了研究，对比了干工况和有相变发生的湿工况条件下的换热器特性，分析了多流程和单流程换热器的性能差异，计算了流量和温度扰动下的换热器动态响应特性，并考察了不同材料对动态响应的影响。（3） 采用遗传算法实现了基于分布参数的板翅式换热器优化设计，根据设计需要可以选择重量最轻、效率最高、熵产最小等不同的目标函数来优化换热器和翅片的结构尺寸，该方法也适用于基于集总参数的换热器优化。此外，整理总结前人的实验数据，建立了一个包含五类57种标准翅片的数据库，结合翅片库，遗传算法能够方便地实现翅片类型和翅片结构尺寸的同时优化，提高了板翅式换热器的优化设计效率。（4） 采用分布参数模型研究了大功率电子设备在高热流密度条件下的热斑现象及其改进措施。在准确获得局部温度分布的基础上，通过翅片结构优化以及在底板嵌入热管等途径对热沉进行了改进，明显改善了热斑现象，保证了电子元件的安全性。此外，提出了热沉－风机系统整体优化的思想，结合建立的风机数据库，以系统单位功耗的散热量为优化目标，应用遗传算法实现了热沉尺寸与风机型号的最佳匹配，对提高系统效率和节约能源都有重要意义。